WO2023118125A1 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplattenlage für eine bipolarplatte einer elektrochemischen einheit, bipolarplattenlage für eine bipolarplatte einer elektrochemischen einheit und elektrochemische einheit für eine elektrochemische vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer bipolarplattenlage für eine bipolarplatte einer elektrochemischen einheit, bipolarplattenlage für eine bipolarplatte einer elektrochemischen einheit und elektrochemische einheit für eine elektrochemische vorrichtung Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device, the method comprising the following:
  • the electrochemical device can be, for example, a fuel cell device or an electrolyzer.
  • the electrochemical unit can be a fuel cell unit or an electrolysis unit, for example.
  • the edge web is provided in sections with gas passage openings through which a gas flowing through a gas flow field during operation of the electrochemical device can flow.
  • the flow field is an anode gas flow field
  • an anode gas is supplied to the flow field through the gas passage openings from a connecting channel for anode gas that runs in sections through the edge web, or anode gas is discharged through the gas passage openings into a connecting channel that runs in sections through the edge web.
  • a cathode gas is supplied through the gas passage openings from a cathode gas connection passage that runs partially through the edge web, or cathode gas is discharged through the gas passage openings into a cathode gas connection passage that runs partially through the edge web.
  • the edge web is formed by a forming process from a flat starting material, and after the forming process the gas passage openings are cut out by a laser cutting process from a flow field-side flank of the edge web facing the flow field.
  • the relevant section of the edge web then forms a flow port through which the anode gas or the cathode gas can flow out of the connecting channel into the flow field or out of the flow field into the connecting channel.
  • Producing the gas passage openings by means of a laser cutting process represents an additional process step, which complicates the process for producing a bipolar plate layer and makes it rather unsuitable for cost-effective industrial series production.
  • the present invention is based on the object of creating a method for producing a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device of the type mentioned at the outset, which can be carried out simply and reliably even when large numbers of bipolar plate layers are to be produced.
  • this object is achieved according to the invention by the following method step:
  • the present invention is based on the concept of separating the gas passage openings from the starting material before the edge web section is shaped in such a way that the edge web section is formed from the edge web section.
  • the gas passage openings can therefore be cut out of the starting material on a flat, undeformed starting material, so that inaccuracies and tolerances of the forming process do not have to be taken into account during the cutting-out process and the cutting-out process can therefore be carried out in a particularly simple and reliable manner.
  • the additional process step of laser cutting required in known production methods for the bipolar plate layer after the edge web section has been formed into the edge web can be omitted.
  • the method according to the invention for producing a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device can therefore be carried out in a progressive composite process in a progressive composite tool.
  • the gas passage openings are cut out of the edge web section of the starting material.
  • the edge web section is formed into the edge web.
  • the flow field is preferably also formed by a forming process on the bipolar plate layer.
  • edge web and the gas passage openings are designed in such a way that the gas passage openings cut out of the starting material before the forming process are prevented from widening too much due to the change in shape during the forming process and/or due to the forming work and possibly turning into a dem Edge ridge adjacent channel of the flow field and / or extend into a crest area of the edge ridge inside.
  • the gas passage openings are separated from the edge web section of the starting material by being punched out.
  • a punching process can be integrated particularly easily into a progressive composite process or into a progressive composite tool.
  • the throughput time through a device for producing the bipolar plate layer can be reduced.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings are opposite a main plane of the Bipolar plate layer which, in the assembled state of the bipolar plate, is aligned perpendicularly to a stacking direction of the electrochemical device, along which the electrochemical units of the electrochemical device follow one another, at an angle (flank angle a) of less than 70°, in particular of less than 60°, more preferably less than 45°, for example less than 30°, for example less than 10°.
  • edge regions of the edge web bordering the gas passage openings are oriented at an angle relative to a main plane of the bipolar plate layer, which in the assembled state of the bipolar plate is perpendicular to a stacking direction of the electrochemical device, along which the electrochemical units of the electrochemical device follow one another (flank angle a) of more than 5°, particularly preferably of more than 10°.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings are essentially flat.
  • the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings remain essentially flat in this configuration even after the forming process.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings—seen from the outside of the edge web facing away from the connecting channel—are convexly curved.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the edge web has a lower height (Hi; H2; H3) in opening sections each provided with one gas passage opening than in between two Opening portions lying intermediate portions of the edge web, where the edge web has the height Ho.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the height (Hi; H2; H3) of the edge web in the opening sections is less than 80%, in particular less than 60%, particularly preferably less than 50 % which is the height (Ho) of the edge ridge in the intermediate sections.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that a crest area of the edge web, in which the edge web has its greatest height (Ho), is seen in a plan view of the edge web along the stacking direction of the electrochemical device has a wavy shape.
  • the edge web section of the starting material is deformed after the gas passage openings have been cut out in such a way that the height of the edge web in the opening sections is (at least partially) the same as the height (Ho) of the edge web in the intermediate sections, without a crest portion of the edge ridge where the edge ridge has its greatest height (Ho) having a wavy shape in a plan view of the edge ridge along the stacking direction of the electrochemical device.
  • the crest area of the edge web can be designed to be essentially flat.
  • the gas passage openings do not extend into the crest area of the edge web.
  • the present invention further relates to a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device, wherein the bipolar plate layer comprises an edge web delimiting a flow field of the bipolar plate layer, several gas passage openings being arranged on the edge web.
  • the present invention is based on the further object of creating a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device of the type mentioned above, which can also be produced in large numbers in a simple and reliable manner.
  • this object is achieved according to the invention in that the gas passage openings are separated from a starting material of the bipolar plate layer by punching.
  • the gas passage openings can be punched out in particular in a progressive composite process, which is carried out in a progressive composite tool.
  • gas passage openings can also be punched out in a transfer tool.
  • edge regions of the edge web bordering the gas passage openings are opposite a main plane of the bipolar plate layer, which is in the mounted state of the bipolar plate layer is aligned perpendicular to a stacking direction of the electrochemical device, by an angle (flank angle a) of less than 60°, in particular less than 45°, particularly preferably less than 30°, for example less than 10° are.
  • the edge web has a lower height (Hi; H2; H3) in opening sections each provided with a gas passage opening than in intermediate sections of the edge web lying between two opening sections in which the edge web has its greatest height ( Ho) has.
  • a crest area of the edge web, in which the edge web has its greatest height (Ho), in a plan view of the edge web along the stacking direction of the electrochemical device, along which the electrochemical units of the electrochemical device follow one another, has a wavy shape.
  • the bipolar plate layer according to the invention is preferably produced by the method according to the invention for producing a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device.
  • the method according to the invention for producing a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device is particularly suitable for producing the bipolar plate layer according to the invention for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device.
  • the bipolar plate layer according to the invention is particularly suitable as a component of an electrochemical unit for an electrochemical device which comprises a bipolar plate layer according to the invention and a membrane-electrode arrangement which includes a gas diffusion layer.
  • an edge web of the bipolar plate layer that bounds a flow field of the bipolar plate layer is spaced apart from the gas diffusion layer in opening sections each provided with a gas passage opening and is in contact with the gas diffusion layer in intermediate sections of the edge web located between two opening sections.
  • the present invention can ensure the function of the gas passage openings on the flow field-side flank of the edge web of the bipolar plate layer and their production in a progressive composite process, without the edge web requiring additional space.
  • the design of the edge web can be changed compared to known edge web designs in such a way that a change in shape of the gas passage openings during a forming process, in particular during an embossing process, does not become too large, so that the gas passage openings are separated from the starting material before the forming process can be and can continue to be located on the flow field side flank of the edge web.
  • the height of the edge web is reduced locally at the positions of the gas passage openings.
  • the flank angle of the flank of the edge web on the flow field side can be reduced at these points, which enables the gas passage openings to be cut out of the starting material before the forming process, through which the edge web is produced.
  • the edge web is corrugated, so that this corrugation of the edge web at the positions of the gas passage openings can reduce the flank angle of the flank of the edge web on the flow field side.
  • the edge web is preferably still in contact at every point along its longitudinal direction with an adjacent gas diffusion layer of an adjacent membrane-electrode arrangement.
  • the gas passage openings of the edge web can preferably be produced in a progressive composite process.
  • the previously customary process step of laser cutting the gas passage openings in bipolar plate production can be omitted, and the throughput time of the bipolar plate layers through a device for producing the bipolar plate layer is reduced.
  • the design of the bipolar plate layers remains compact and can be industrialized at low cost.
  • the bipolar plate layer according to the invention is preferably a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit which comprises a polymer electrolyte membrane (PEM).
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • FIG. 1 shows a sectional schematic plan view of an electrochemical unit of an electrochemical device comprising a plurality of electrochemical units arranged one after the other along a stacking direction, in the region of an anode gas feed and a coolant feed;
  • FIG. 2 shows a schematic section through the anode gas supply of the electrochemical unit from FIG. 1, along line 2--2 in FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a perspective view of a bipolar plate layer for a bipolar plate of an electrochemical unit of an electrochemical device, which includes an edge web bordering a flow field of the bipolar plate layer, several gas passage openings being arranged on the edge web, the gas passage openings being cut out of an edge web section of a starting material by punching out before the edge web section has been formed into the edge web, and wherein the edge web has a lower height in opening sections each provided with a gas passage opening than in intermediate sections of the edge web lying between two opening sections;
  • FIG. 4 is a top plan view of the bipolar plate layer of FIG. 3;
  • Figure 5 is a cross-section through the bipolar plate sheet of Figures 3 and 4 taken along line 5-5 of Figure 4;
  • FIG. 6 shows a side view of the edge web of the bipolar plate layer from FIGS. 3 to 5, looking in the direction of arrow 6 in FIG. 4;
  • FIG. 7 shows a perspective view of a second embodiment of a bipolar plate layer with an edge web on which gas passage openings are arranged, the edge web having a lower height in opening sections each provided with a gas passage opening than in intermediate sections of the edge web lying between two opening sections and wherein the height of the edge web in the opening sections is lowered more than in the case of the first embodiment of a bipolar plate layer illustrated in FIGS. 3 to 6;
  • FIG. 8 is a top plan view of the bipolar plate layer of FIG. 7;
  • FIGS. 7 and 8 show a cross section through the bipolar plate layer from FIGS. 7 and
  • FIG. 10 shows a side view of the bipolar plate layer from FIGS. 7 to 9, looking in the direction of arrow 10 in FIG. 8;
  • Fig. 11 shows a perspective view of a third embodiment of a bipolar plate layer with an edge web on which gas passage openings are arranged, the edge web having a lower height in opening sections each provided with a gas passage opening than in intermediate sections of the Edge web, the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings--seen from the outside of the edge web--being convexly curved;
  • FIG. 12 is a top plan view of the bipolar plate layer of FIG. 11;
  • Figure 13 is a cross-section through the bipolar plate sheet of Figures 11 and 12 taken along line 13-13 of Figure 12;
  • FIG. 14 is a side view of the bipolar plate layer of FIGS. 11 to 13 looking in the direction of arrow 14 in FIG. 12;
  • FIG. 15 shows a perspective representation of a fourth embodiment of a bipolar plate layer with an edge web on which gas passage openings are arranged, wherein a crest area of the edge web, at which the edge web has its greatest height, has a wavy shape in a plan view of the edge web from above;
  • FIG. 16 is a top plan view of the bipolar plate layer of FIG. 15;
  • Figure 17 is a cross-section through the bipolar plate sheet of Figures 15 and 16 taken along line 17-17 of Figure 16;
  • FIG. 18 is a side view of the bipolar plate layer of FIGS. 15 to 17 looking in the direction of arrow 18 in FIG. 16;
  • FIG. 19 shows a perspective view of a fifth embodiment of a bipolar plate layer with an edge web on which gas passage openings are arranged, the edge web having the same height in opening sections provided with one gas passage opening as in between two intermediate sections of the edge web lying in the opening sections, the edge regions of the edge web bordering the gas passage openings being flat;
  • FIG. 20 is a top plan view of the bipolar plate layer of FIG. 19;
  • Figure 21 is a cross-section through the bipolar plate sheet of Figures 19 and 20 taken along line 21-21 of Figure 20;
  • FIG. 22 shows a side view of the bipolar plate layer from FIGS. 19 to 21, looking in the direction of arrow 22 in FIG. 20;
  • FIG. 23 shows a cross-section of a detail through the bipolar plate layer from FIGS. 19 to 22, the edge web of which is in contact with a porous element, for example with a gas diffusion layer;
  • FIGS. 19 to 22 shows a cross-section of a detail through the bipolar plate layer from FIGS. 19 to 22, the edge web of which is in contact with a thin film, for example with a catalyst-coated membrane ("Catalyst Coated Membrane"; CCM) or with a bipolar plate;
  • CCM Catalyst Coated Membrane
  • FIG. 25 shows a fragmentary cross section through a first variant of the bipolar plate layer from FIGS. 19 to 22, in which a crest area of the edge web is provided with a coating made of an elastomer material;
  • FIG. 26 shows a fragmentary cross section through a second variant of the bipolar plate layer from FIGS. 19 to 22, in which a crest area of the edge web is only partially provided with a coating made of an elastomer material.
  • Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference symbols in all figures.
  • An electrochemical device shown in Figs. 1 and 2 denoted as a whole by 100, for example a fuel cell stack or an electrolyzer, comprises a stack which comprises a plurality of electrochemical units 106, for example fuel cell units or electrolysis units, which follow one another in a stacking direction 104, and a (not shown ) Clamping device for applying a clamping force directed along the stacking direction 104 to the electrochemical units.
  • each electrochemical unit 106 of electrochemical device 100 includes a bipolar plate 108 and a membrane electrode assembly (MEA) 110, respectively.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane-electrode assembly 110 comprises, for example, a catalyst-coated membrane ("Catalyst Coated Membrane”; CCM) and two gas diffusion layers 112 and 114, a first gas diffusion layer 112 being arranged on the anode side and a second gas diffusion layer 114 being arranged on the cathode side.
  • CCM catalyst-coated Membrane
  • the bipolar plate 108 is formed from a metallic material, for example.
  • the bipolar plate 108 has a plurality of medium passage openings 116 through which a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 (for example an anode gas, a cathode gas or a coolant in the case of a fuel cell stack) can pass through the bipolar plate 108 .
  • a fluid medium to be supplied to the electrochemical device 100 for example an anode gas, a cathode gas or a coolant in the case of a fuel cell stack
  • the medium passage openings 116 of the successive bipolar plates 108 in the stack and the intermediate spaces lying between the medium passage openings 116 in the stacking direction 104 together form a medium channel 118.
  • Each medium channel 118 through which a fluid medium can be supplied to the electrochemical device 100 is assigned at least one other medium channel through which the relevant fluid medium can be removed from the electrochemical device 100 .
  • An intermediate flow field 120 which is preferably formed on a surface of an adjacent bipolar plate 108 or (e.g. in the case of a coolant flow field) in the space between the layers of a multi-layer bipolar plate 108, allows the medium from the first medium channel 118 to flow transversely, preferably substantially perpendicular to the stacking direction 104 to the second medium channel.
  • FIG. 1 shows, for example, a medium channel 122 for a coolant of the electrochemical device 100 and a medium channel 124 for an anode gas of the electrochemical device 100 .
  • Each medium channel 118 is in fluid communication with the respective associated flow field 120 through a respective connecting channel 126.
  • each bipolar plate 108 comprises a first bipolar plate layer 132 and a second bipolar plate layer 134, which are joined together in a fluid-tight manner along connecting lines 130, which are shown in broken lines in FIG are fixed.
  • the medium coolant channel 122 is in fluid communication with a coolant flow field via a coolant connection channel 136 formed by a gap between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 , which is formed in the space between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 .
  • the anode gas medium channel 124 is in fluid communication via an anode gas connection channel 142 with an anode gas flow field 144 which is formed between the first bipolar plate layer 132 of the bipolar plate 108 and the first gas diffusion layer 112 .
  • connection channel 142 comprises a connection chamber 146, which is formed by a gap between the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 and above the medium channel 124 for anode gas facing inlet openings 148 in fluid communication with the medium channel 124 and above the flow field 144 for the Anode gas facing gas passage openings 150 is in fluid communication with the flow field 144.
  • the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 of the bipolar plate 108 are provided with flow guide elements 152 in the area of the flow fields 120, which can be in the form of raised beads, for example.
  • the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 abut one another in a common main plane 154 .
  • the main plane 154 is aligned perpendicular to the stacking direction 104 and runs through the contact surfaces 156 on which the two bipolar plate layers 132 and 134 of the bipolar plate 108 rest against one another.
  • the main plane 154 thus preferably forms a central plane of the multi-part bipolar plate 108.
  • a sealing arrangement 158 Undesirable escape of the fluid media from the medium channels 118 and the flow fields 120 of the electrochemical device 100 is avoided by a sealing arrangement 158, the sealing lines 160 of which are represented by dot-dash lines in the top view of FIG.
  • the sealing arrangement 158 comprises a flow field section 162 with the outer sealing line 160a and the inner sealing line 160b, which run between the flow fields 120 on the one hand and the medium channels 118 on the other hand and traverse the connecting channels 126 through which the flow fields 120 and the respectively assigned medium channels 118 in fluidly connected to each other.
  • the sealing arrangement 158 comprises medium channel sections 164 with sealing lines 160c, which each at least partially surround one of the medium channels 118 and separate the relevant medium channel 118 from an outer edge 166 of the bipolar plate 108 .
  • the medium channel sections 164 of the sealing arrangement 158 each comprise a sealing element 168, which is arranged between a first bipolar plate layer 132 of a bipolar plate 108 and a second bipolar plate layer 134 of a bipolar plate 108' that is adjacent in the stacking direction 104 and is essentially parallel to an edge 170 of a medium -Through opening 116 of the relevant medium channel 118 extends.
  • the flow field portion 162 of the seal assembly 158 preferably includes two seal members 172a and 172b, which are also disposed between the first bipolar plate layer 132 of the bipolar plate 108 and the second bipolar plate layer 134 of the adjacent bipolar plate 108'.
  • the first sealing element 172a is preferably fixed to the (for example anode side) first gas diffusion layer 112 and the second sealing element 172b is preferably fixed to the (for example cathode side) second gas diffusion layer 114 of the membrane electrode assembly 110 .
  • sealing elements 172a and 172b are injection molded or cast onto the respectively associated gas diffusion layer 112 or 114.
  • first sealing element 172a for example in the area of the outer sealing line 160a, both on the first layer 132 of the bipolar plate 108 and on the second layer 134 of the adjacent bipolar plate 108' and in the area of the inner sealing line 160b on the first layer 132 of the bipolar plate 108 and the second sealing element 172b, while the second sealing element 172b in the region of the inner sealing line 160b rests on the second layer of the bipolar plate 108' and on the first sealing element 172a.
  • the sealing elements 168 of the medium channel sections 164 of the seal arrangement 158 can be formed integrally with the first sealing element 172a of the flow field section 162 of the seal arrangement 158 .
  • the sealing arrangement 158 can thus be formed in two parts, with a first part 192 of the sealing arrangement 158 comprising the first sealing element 172a of the flow field section 162 and the sealing elements 168 of the medium channel sections 164 and preferably of the first gas diffusion layer 112 and wherein a second portion 194 of the seal assembly 158 comprises the second seal member 172b of the flow field portion 162 and is preferably supported by the second gas diffusion layer 114.
  • a first part 192 of the sealing arrangement 158 comprising the first sealing element 172a of the flow field section 162 and the sealing elements 168 of the medium channel sections 164 and preferably of the first gas diffusion layer 112 and wherein a second portion 194 of the seal assembly 158 comprises the second seal member 172b of the flow field portion 162 and is preferably supported by the second gas diffusion layer 114.
  • the first bipolar plate layer 132 and the second bipolar plate layer 134 in the region of the connection channel 126 each comprise support points 174, which abut one another with contact surfaces 176 in order to support one another and the upper boundary wall and the lower boundary wall of the connection channel 126 to keep at a distance from each other.
  • the gas flowing through the connecting channel 126 flows laterally past the support points 174 to the gas passage openings 150.
  • the gas passage openings 150 are formed on an edge web 178 of the first bipolar plate layer 132 which borders the flow field 120 of the first bipolar plate layer 132 .
  • the edge web 178 comprises a flank 180 on the flow field side facing the flow field 120, a flank 182 on the medium channel side facing the medium channel 118, and a crest region 184 connecting the flank 182 on the medium channel side and the flank 180 on the flow field side.
  • the crest area 184 is essentially flat and aligned essentially parallel to the main plane 154 of the bipolar plate 108 or the first bipolar plate layer 132 .
  • the crest area 184 is in contact with the first gas diffusion layer 112 of the membrane electrode assembly 110 of the respective electrochemical unit 106 .
  • the flank 180 of the edge web 178 on the flow field side, on which the gas passage openings 150 are arranged, is inclined at a flank angle a of more than 60°, for example approximately 63°, relative to the main plane 154 of the bipolar plate 108 .
  • the edge web 178 has the same height Ho everywhere and also everywhere—apart from the gas passage openings 150, which follow one another in a longitudinal direction 186 of the edge web 178 and are spaced apart from one another along the longitudinal direction 186—on the same cross section.
  • the longitudinal direction 186 of the edge web 178 runs parallel to a local circumferential direction 188 of the flow field 120.
  • the bipolar plate layer 132 shown in FIG. 2 is produced from a flat starting material by means of an embossing and stamping process.
  • the gas passage openings 150 are separated from the flow field-side flank 180 of the already formed edge web 178 by laser cutting.
  • the gas flows out of the connecting channel 126 into the adjacent flow field 120 through the gas passage openings 150 produced by means of laser cutting.
  • the gas passage openings 150 would, due to the change in shape and the forming work during the forming process, through which the edge web section of the starting material become the three-dimensional lip 178 is formed will overflare and extend into both the crest region 184 of lip 178 and the channel bottom 190 of the outermost channel 196 of flow field 120 adjacent lip 178, which is undesirable.
  • the edge web 178 in opening sections 198 which are each provided with one of the gas passage openings 150, has a lower height Hi and thus a smaller distance from the main plane 154 of the bipolar plate layer 132 than in intermediate sections 200 of the edge web 178 lying between two opening sections 198 of the edge web 178.
  • This reduction in the height from the value Ho to the value Hi in the opening sections 198 of the edge web 178 has the effect that the flow field-side flank 180 of the edge web 178 encloses a flank angle a with the main plane 154 of the bipolar plate layer 132, which is less than 60°, is preferably less than 50°, and in the illustrated embodiment is approximately 40°.
  • the crest portion 184 of the edge ridge 178 in the opening portions 198 in the operative electrochemical device 100 is spaced from the gas diffusion layer 112 against which the crest portion 184 in the intermediate portions 200 of the edge ridge 178 abuts.
  • the gas passage openings 150 can extend from the flank 180 on the flow field side into the crest region 184 of the edge web 178 .
  • the edge regions of edge web 178 bordering gas passage openings 150 are therefore convexly curved, at least in sections (i.e. in the section in the crest region 184 of edge web 178)—seen from the outside of edge web 178 facing away from connecting channel 126.
  • the gas passage openings 150 at the deformation of the edge web section of the flat starting material to form the three-dimensional edge web 178 is no longer widened too much.
  • edge web 178 It is therefore possible, due to this design change of the edge web 178, to produce the gas passage openings 150 in the starting material and, after cutting out the gas passage openings 150 from the edge web section of the starting material, to reshape this edge web section in such a way that the edge web section of the starting material is used to form the edge web 178.
  • the gas passage openings 150 can be severed from the edge web section of the starting material, for example by being punched out.
  • the gas passage openings 150 are produced by a stamping process before the starting material is formed into the bipolar plate layer 132, it is possible to produce the bipolar plate layer 132 in a progressive composite process in a progressive composite tool.
  • the gas passage openings 150 are severed from the edge web section of the starting material by punching, and in a second stage of the progressive die, the flow field 120 and the edge web 178 are produced by forming, for example by an embossing process.
  • the design of the bipolar plate layer 132 remains compact and can be manufactured in a cost-effective industrial series production.
  • a second embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 7 to 10 differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 to 6 in that the edge web 178 does not have a flank 182 on the side of the medium channel.
  • the gas passage openings 150 of the edge web 178 are formed completely in the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the area of the opening sections 198, where the flow field-side flank 182 is essentially flat.
  • the flank angle a of the flank 180 on the flow field side in the opening sections 198 of the edge web 178 is particularly small in this embodiment, preferably less than 10°, for example 9°.
  • the height H2 of the edge ridge 178 in the opening sections 198 in this second embodiment is particularly small in relation to the height Ho of the edge ridge 178 in the intermediate sections 200.
  • the degree of deformation of the starting material to which the edge web section of the starting material in the opening sections 198 must be subjected in order to form the edge web 178 of the second embodiment from the edge web section of the planar starting material by a forming process, in particular by an embossing process, is particularly small.
  • the gas passage openings 150 produced by punching out of the edge web section of the flat starting material are therefore deformed only slightly during the formation of the edge web 178 from the edge web section by a forming process, so that tearing of the edges of the gas passage openings 150 can be largely avoided and the final shape of the gas passage openings 150 can be controlled particularly well in the finished formed edge web 178.
  • the second embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 7 to 10 corresponds to the first embodiment shown in FIGS. 3 to 6 in terms of structure, function and production method, to the above description of which reference is made in this regard.
  • a third embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 11 to 13 differs from the first embodiment shown in FIGS. 3 to 6 in that the flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 is smaller in the opening sections 198 of the edge web 178 than the first embodiment.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 is less than 30°.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 is greater than 20°.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 of the edge web 178 can be approximately 24°.
  • the gas passage openings 150 in this embodiment are formed completely in the flank 180 on the flow field side of the opening sections 198 of the edge web 178 .
  • flank 180 on the flow field side in the opening sections 198 of the edge web 178 is preferably of essentially planar design.
  • edge regions of the edge web 178 bordering the gas passage openings 150 are therefore essentially flat in this embodiment.
  • the crest region 184 of the edge web 178 in the opening sections 198 is not flat and essentially parallel to the main plane 154 of the bipolar plate layer 132, but instead is formed on the outside of the edge web that faces away from the connecting channel 126 when the electrochemical device 100 is in the ready-to-operate state 178 seen - convexly curved.
  • the height H3 of the edge ridge 178 in the opening sections 198 is preferably greater than the height H2 of the edge ridge 178 in the opening sections 198 in the second embodiment illustrated in FIGS. 7 to 10, and preferably less than the height Hi of the edge ridge 178 in the opening sections 198 in the first embodiment shown in Figs. 3 to 6, in each case based on the height Ho of the edge web 178 in the intermediate sections 200 of the respective edge web 178.
  • the third embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 11 to 14 corresponds to the first embodiment shown in FIGS. 3 to 6 in terms of structure, function and manufacturing method, to the above description of which reference is made in this respect.
  • a fourth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in Figs. 15 to 18 differs from the first embodiment shown in Figs. 3 to 6 in that the crest region 184 of the edge web 178, at which the edge web 178 has its greatest height Ho, in a plan view of the edge web 178 along the stacking direction 104 has a wavy shape.
  • the crest portion portions 204 in the opening portions 198 of the rim ridge 178 are opposite the crest portion portions 206 in the intermediate portions 200 of the rim ridge 178 in a perpendicular to offset in the stacking direction 104 and perpendicular to the longitudinal direction 186 of the edge web 178 in the transverse direction 208 away from the flow field 120 in the direction of the medium channel 118 .
  • the height H4 of the edge ridge 178 in the opening portions 198 of the edge ridge 178 in this third embodiment is the same as the height Ho of the edge ridge 178 in the intermediate portions 200.
  • the gas passage openings 150 are formed completely in the flanks 180 of the opening sections 198 on the flow field side.
  • flanks 180 of the opening sections 198 on the flow field side are essentially planar in this embodiment.
  • the edge regions of the edge web 178 bordering the gas passage openings 150 are thus of essentially planar design.
  • the fourth embodiment shown in FIGS. 15 to 18 of a bipolar plate layer 132 for a bipolar plate 108 of an electrochemical unit 106 of an electrochemical device 100 corresponds to the first embodiment shown in FIGS. 3 to 6 in terms of structure, function and manufacturing method whose above description is referred to in this respect.
  • a fifth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 19 to 22 differs from the third embodiment shown in FIGS. 11 to 14 in that the flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 is larger in the opening sections 198 of the edge web 178 than the third embodiment.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 is greater than 30°, preferably greater than 35°.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 is smaller than 45°, particularly preferably smaller than 40°.
  • flank angle a of the flow field-side flank 180 of the edge web 178 in the opening sections 198 of the edge web 178 can be approximately 37°.
  • the gas passage openings 150 in this embodiment are formed completely in the flank 180 on the flow field side of the opening sections 198 of the edge web 178 .
  • the flank 180 on the flow field side in the opening sections 198 of the edge web 178 is preferably of essentially planar design.
  • edge regions of the edge web 178 bordering the gas passage openings 150 are therefore essentially flat in this embodiment.
  • the crest region 184 of the edge web 178 in the opening sections 198 is not flat and essentially parallel to the main plane 154 of the bipolar plate layer 132, but rather - from the outside of the edge web 178 facing away from the connecting channel 126 in the operational state of the electrochemical device 100 seen - convexly curved.
  • the height Ho of the edge ridge 178 in the opening sections 198 is preferably the same as the height Ho of the edge ridge 178 in the intermediate sections 200 of the edge ridge 178.
  • the crest area 184 of the edge web 178 is essentially flat and essentially parallel to the main plane 154 of the bipolar plate layer 132 .
  • the fifth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 19 to 22 corresponds to the third embodiment shown in FIGS. 11 to 14 in terms of structure, function and manufacturing method, to the above description of which reference is made in this respect.
  • FIG. 23 shows how the edge web 178 of the bipolar plate layer 132 according to the fifth embodiment described above is in contact with a porous element 212 in the assembled state of the electrochemical unit 106 of the electrochemical device 100 .
  • the porous element 212 in the intermediate sections 200 of the edge web 178 rests flat against the flat top area 184 of the edge web 178, while the porous element 212 in the opening sections 198 of the edge web 178 linearly on the convexly curved top area 184 of the edge web 178 is present.
  • the porous element 212 can be formed as a gas diffusion layer 214, for example.
  • FIG 24 shows how, instead of the porous element 212, a thin foil 218 is in contact with the edge web 178 of the bipolar plate layer 132 according to the fifth embodiment described above.
  • the thin film 218 in the intermediate sections 200 of the edge web 178 is in flat contact with the top region 184 of the edge web 178, which is flat there, while the thin film 218 in the opening sections 198 of the edge web 178 is in linear contact with the convexly curved top region 184 of the edge web 178 there .
  • the thin foil 218 can be used, for example, as a membrane 216, for example as a catalyst-coated membrane ("Catalyst Coated Membrane";
  • FIG. 25 shows a first variant of the fifth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 19 to 22, in which the bipolar plate layer 132 is provided with a coating 210 in the crest area 184 of the edge web 178, which is preferably made of an elastomer material.
  • the coating 210 preferably extends--at least in the intermediate sections 200 of the edge web 178--over the entire width of the crest region 184, ie over its entire extent along the transverse direction 208.
  • the convexly curved top region 184 in the opening sections 198 of the edge web 178 can also be provided with a coating 210, preferably made of an elastomeric material. As an alternative to this, provision can be made for the crest area 184 to remain uncoated in the opening sections 198 .
  • a second variant shown in FIG. 26 of the fifth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 19 to 22 differs from the first variant shown in FIG intermediate sections 200, does not extend over the entire width, i.e. the extent along the transverse direction 208, of the crest region 184, but only over a narrower part of the crest region 184, preferably over a central section of the crest region arranged centrally on the edge web 178 184
  • the crest area 184 of the edge web 178 in the opening sections 198 can likewise be provided with a coating 210, preferably made of an elastomer material, or remain uncoated.
  • FIGS. 25 and 26 of the fifth embodiment of a bipolar plate layer 132 shown in FIGS. 19 to 22 correspond to the fifth embodiment shown in FIGS. 19 to 22 in terms of structure, function and manufacturing method. reference is made to the above description in this respect.

Abstract

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

Description

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit, Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit und elektrochemische Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines Ausgangsmaterials für die Bipolarplattenlage; und
Umformen des Ausgangsmaterials derart, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandender Randsteg gebildet wird.
Die elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein.
Die elektrochemische Einheit kann beispielsweise eine Brennstoffzelleneinheit oder eine Elektrolyseeinheit sein.
Der Randsteg ist abschnittsweise mit Gasdurchtrittsöffnungen versehen, welche von einem ein Gasströmungsfeld im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung durchströmenden Gas durchströmbar sind.
Wenn es sich bei dem Strömungsfeld um ein Anodengas-Strömungsfeld handelt, so wird dem Strömungsfeld durch die Gasdurchtrittsöffnungen ein Anodengas aus einem abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Anodengas zugeführt, oder Anodengas wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen in einen abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal abgeführt. Wenn es sich bei dem Strömungsfeld um ein Kathodengas-Strömungsfeld handelt, so wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen ein Kathodengas aus einem abschnittweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Kathodengas zugeführt, oder Kathodengas wird durch die Gasdurchtrittsöffnungen in einen abschnittsweise durch den Randsteg verlaufenden Verbindungskanal für Kathodengas abgeführt.
Bei bekannten Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung wird der Randsteg durch einen Umformvorgang aus einem ebenen Ausgangsmaterial gebildet, und nach dem Umformvorgang werden die Gasdurchtrittsöffnungen durch einen Laserschneidvorgang aus einer dem Strömungsfeld zugewandten strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs herausgeschnitten. Der betreffende Abschnitt des Randstegs bildet dann eine Strömungspforte, durch welche das Anodengas oder das Kathodengas aus dem Verbindungskanal in das Strömungsfeld hinein oder aus dem Strömungsfeld in den Verbindungskanal hinein strömen kann.
Das Herstellen der Gasdurchtrittsöffnungen durch einen Laserschneidvorgang stellt einen zusätzlichen Prozessschritt dar, welcher die Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage verkompliziert und für eine kostengünstige industrielle Serienproduktion eher ungeeignet macht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auch bei großen Stückzahlen herzustellender Bipolarplattenlagen einfach und zuverlässig durchführbar ist. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß durch folgenden Verfahrensschritt gelöst:
Heraustrennen von Gasdurchtrittsöffnungen aus einem Randstegab- schnitt des Ausgangsmaterials, wobei der Randstegabschnitt nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg gebildet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, die Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial herauszutrennen, bevor der Randstegabschnitt so umgeformt wird, dass aus dem Randstegabschnitt der Randsteg gebildet wird.
Das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial kann daher an einem ebenen, unverformten Ausgangsmaterial erfolgen, so dass Ungenauigkeiten und Toleranzen des Umformvorgangs bei dem Heraustrennvorgang nicht berücksichtigt werden müssen und der Heraustrennvorgang somit in besonders einfacher und zuverlässiger Weise durchführbar ist.
Der bei bekannten Herstellungsverfahren für die Bipolarplattenlage erforderliche zusätzliche Prozessschritt des Laserschneidens nach der Umformung des Randstegabschnitts zu dem Randsteg kann dabei entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung kann daher in einem Folgeverbundprozess in einem Folgeverbundwerkzeug durchgeführt werden. In einer ersten Stufe des Folgeverbundprozesses und in einer ersten Station des Folgeverbundwerkzeugs werden die Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt.
In einer zweiten Stufe des Folgeverbundprozesses und in einer zweiten Station des Folgeverbundwerkzeugs wird der Randstegabschnitt zu dem Randsteg umgeformt. Vorzugsweise wird in dieser zweiten Stufe des Folgeverbundprozesses auch das Strömungsfeld durch einen Umformvorgang an der Bipolarplattenlage ausgebildet.
Es ist dabei günstig, wenn der Randsteg und die Gasdurchtrittsöffnungen so gestaltet werden, dass verhindert wird, dass die vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennten Gasdurchtrittsöffnungen aufgrund der Formänderung beim Umformvorgang und/oder aufgrund der Umformarbeit zu stark aufgeweitet werden und sich gegebenenfalls in einen dem Randsteg benachbarten Kanal des Strömungsfelds und/oder in einen Kuppenbereich des Randstegs hinein erstrecken.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasdurchtrittsöffnungen durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt werden.
Ein Ausstanzvorgang ist besonders leicht in einen Folgeverbundprozess beziehungsweise in ein Folgeverbundwerkzeug integrierbar.
Durch den Entfall eines Laserschneidvorgangs kann die Durchlaufzeit durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Bipolarplattenlage verringert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplatte senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel a) von weniger als 70°, insbesondere von weniger als 60°, besonders bevorzugt von weniger als 45°, beispielsweise von weniger als 30°, zum Beispiel von weniger als 10°, geneigt sind.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplatte senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel a) von mehr als 5°, besonders bevorzugt von mehr als 10°, geneigt sind.
Durch die lokale Verringerung des Flankenwinkels a der dem Strömungsfeld zugewandten strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs wird der Umformgrad bei der Herstellung des Randstegs durch den Umformvorgang aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials verringert, wodurch auch die Formänderung der vor dem Umformvorgang hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen beim Umformvorgang nicht zu groß wird.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs im Wesentlichen eben ausgebildet sind. Im bevorzugten Fall der Verwendung eines ebenen Ausgangsmaterials bleiben die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs bei dieser Ausgestaltung also auch nach dem Umformvorgang im Wesentlichen eben.
Bei einer anderen besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs - von der dem Verbindungskanal abgewandten Außenseite des Randstegs aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet sind.
Ferner ist bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe (Hi; H2; H3) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wo der Randsteg die Höhe Ho aufweist.
Ferner ist es günstig, wenn der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die Höhe (Hi; H2; H3) des Randstegs in den Öffnungsabschnitten weniger als 80 %, insbesondere weniger als 60 %, besonders bevorzugt weniger als 50 %, der Höhe (Ho) des Randstegs in den Zwischenabschnitten beträgt.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in welchem der Randsteg seine größte Höhe (Ho) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung eine wellenförmige Gestalt aufweist. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen so verformt wird, dass die Höhe des Randstegs in den Öffnungsabschnitten (zumindest partiell) gleich groß ist wie die Höhe (Ho) des Randstegs in den Zwischenabschnitten, ohne dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in dem der Randsteg seine größte Höhe (Ho) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Der Kuppenbereich des Randstegs kann im Wesentlichen eben ausgebildet sein.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasdurchtrittsöffnungen sich nicht in den Kuppenbereich des Randstegs hinein erstrecken.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die Bipolarplattenlage einen ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandenden Randsteg umfasst, wobei an dem Randsteg mehrere Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung der vorstehend genannten Art zu schaffen, welche in einfacher und zuverlässiger Weise auch in großen Stückzahlen herstellbar ist. Diese Aufgabe wird bei einer Bipolarplattenlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 13 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gasdurchtrittsöffnungen durch Ausstanzen aus einem Ausgangsmaterial der Bipolarplattenlage herausgetrennt sind.
Das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen kann insbesondere in einem Folgeverbundprozess erfolgen, welcher in einem Folgeverbundwerkzeug durchgeführt wird.
Alternativ hierzu kann das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen auch in einem Transferwerkzeug erfolgen.
Um es zu ermöglichen, dass das Ausstanzen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial der Bipolarplattenlage erfolgt, bevor ein Randstegab- schnitt des Ausgangsmaterials zu dem Randsteg umgeformt wird, ist es günstig, wenn die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs gegenüber einer Hauptebene der Bipolarplattenlage, welche im montierten Zustand der Bipolarplattenlage senkrecht zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist, um einen Winkel (Flankenwinkel a) von weniger als 60°, insbesondere von weniger als 45°, besonders bevorzugt von weniger als 30°, beispielsweise von weniger als 10°, geneigt sind.
In diesem Fall ist der Umformgrad bei der Umformung des Randstegabschnitts zu dem Randsteg nur gering, so dass die vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennten Gasdurchtrittsöffnungen nicht zu stark aufgeweitet werden. Bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsab- schnitten eine geringere Höhe (Hi; H2; H3) aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, in welchen der Randsteg seine größte Höhe (Ho) aufweist.
Ferner kann bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Kuppenbereich des Randstegs, in welchem der Randsteg seine größte Höhe (Ho) aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg längs der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung, längs welcher die elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung aufeinander folgen, eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Weitere besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bipolarplattenlage sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Bipolarplattenlage erläutert worden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage wird vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage eignet sich insbesondere als Bestandteil einer elektrochemischen Einheit für eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Bipolarplattenlage und eine Membran- Elektroden-Anordnung, die eine Gasdiffusionslage umfasst, umfasst.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandender Randsteg der Bipolarplattenlage in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten von der Gasdiffusionslage beabstandet ist und in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs in Kontakt mit der Gasdiffusionslage steht.
Durch die vorliegende Erfindung kann die Funktion der Gasdurchtrittsöffnungen an der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs der Bipolarplattenlage und deren Herstellung in einem Folgeverbundprozess sichergestellt werden, ohne dass der Randsteg einen zusätzlichen Platzbedarf erfordert.
Bei weiterhin kompaktem Design des Randstegs kann die Gestaltung des Randstegs gegenüber bekannten Randsteg-Gestaltungen so verändert werden, dass eine Formänderung der Gasdurchtrittsöffnungen bei einem Umformvorgang, insbesondere bei einem Prägevorgang, nicht zu groß wird, so dass die Gasdurchtrittsöffnungen vor dem Umformvorgang aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennt werden können und sich weiterhin an der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs befinden können.
Bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Höhe des Randstegs an den Positionen der Gasdurchtrittsöffnungen lokal verringert. Dadurch kann an diesen Stellen der Flankenwinkel der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs reduziert werden, was das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial vor dem Umformvorgang, durch welchen der Randsteg erzeugt wird, ermöglicht. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird der Randsteg gewellt ausgebildet, so dass durch diese Wellung des Randstegs an den Positionen der Gasdurchtrittsöffnungen der Flankenwinkel der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs reduziert werden kann. Dabei steht der Randsteg vorzugsweise weiterhin an jeder Stelle längs seiner Längsrichtung in Kontakt zu einer benachbarten Gasdiffusionslage einer benachbarten Membran-Elektroden-Anord- nung.
Durch eine Änderung der Gestalt des Randstegs, beispielsweise hinsichtlich des Verlaufs des Kuppenbereichs des Randstegs und/oder hinsichtlich der Neigung und/oder der Höhe der strömungsfeldseitigen Flanke des Randstegs, sind die Gasdurchtrittsöffnungen des Randstegs vorzugsweise in einem Folgeverbundprozess herstellbar.
Insbesondere können sich hierdurch stanzbare Gasdurchtrittsöffnungs-Flanken an dem Randsteg ergeben.
Durch das Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen aus dem Ausgangsmaterial vor dem Umformvorgang, durch den der Randsteg gebildet wird, kann der bisher übliche Prozessschritt des Laserschneidens der Gasdurchtrittsöffnungen in der Bipolarplattenproduktion entfallen, und die Durchlaufzeit der Bipolarplattenlagen durch eine Vorrichtung zur Herstellung der Bipolarplattenlage wird verringert.
Das Design der Bipolarplattenlagen bleibt weiterhin kompakt und kann kostengünstig industrialisiert werden.
Die erfindungsgemäße Bipolarplattenlage ist vorzugsweise eine Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit, die eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfasst. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine ausschnittsweise schematische Draufsicht auf eine elektrochemische Einheit einer mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten umfassenden elektrochemischen Vorrichtung, im Bereich einer Anodengaszufuhr und einer Kühlmittelzufuhr;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Anodengaszufuhr der elektrochemischen Einheit aus Fig. 1, längs der Linie 2 - 2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Bipolarplattenlage für eine Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit einer elektrochemischen Vorrichtung, welche einen ein Strömungsfeld der Bipolarplattenlage berandenden Randsteg umfasst, wobei an dem Randsteg mehrere Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei die Gasdurchtrittsöffnungen aus einem Randstegabschnitt eines Ausgangsmaterials durch Ausstanzen herausgetrennt worden sind, bevor der Randstegabschnitt zu dem Randsteg umgeformt worden ist, und wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs;
Fig. 4 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus Fig. 3; Fig. 5 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 3 und 4, längs der Linie 5 - 5 in Fig. 4;
Fig. 6 eine Seitenansicht des Randstegs der Bipolarplattenlage aus den Fig. 3 bis 5, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 6 in Fig. 4;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsab- schnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs und wobei die Höhe des Randstegs in den Öffnungsabschnitten stärker abgesenkt ist als bei der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage;
Fig. 8 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus Fig. 7;
Fig. 9 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 7 und
8, längs der Linie 9 - 9 in Fig. 8;
Fig. 10 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den Fig. 7 bis 9, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 10 in Fig. 8;
Fig. 11 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsabschnitten eine geringere Höhe aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wobei die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs - von der Außenseite des Randstegs aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet sind;
Fig. 12 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus Fig. 11;
Fig. 13 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 11 und 12, längs der Linie 13 - 13 in Fig. 12;
Fig. 14 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den Fig. 11 bis 13, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 14 in Fig. 12;
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei ein Kuppenbereich des Randstegs, an welchem der Randsteg seine größte Höhe aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg von oben eine wellenförmige Gestalt aufweist;
Fig. 16 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus Fig. 15;
Fig. 17 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 15 und 16, längs der Linie 17 - 17 in Fig. 16;
Fig. 18 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den Fig. 15 bis 17, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 18 in Fig. 16;
Fig. 19 eine perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage mit einem Randsteg, an dem Gasdurchtrittsöffnungen angeordnet sind, wobei der Randsteg in mit jeweils einer Gasdurchtrittsöffnung versehenen Öffnungsab- schnitten dieselbe Höhe aufweist wie in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten liegenden Zwischenabschnitten des Randstegs, wobei die die Gasdurchtrittsöffnungen berandenden Randbereiche des Randstegs eben ausgebildet sind;
Fig. 20 eine Draufsicht von oben auf die Bipolarplattenlage aus Fig. 19;
Fig. 21 einen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 und 20, längs der Linie 21 - 21 in Fig. 20;
Fig. 22 eine Seitenansicht der Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 bis 21, mit der Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 22 in Fig. 20;
Fig. 23 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 bis 22, deren Randsteg mit einem porösen Element, beispielsweise mit einer Gasdiffusionslage, in Kontakt steht;
Fig. 24 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch die Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 bis 22, deren Randsteg mit einer dünnen Folie, beispielsweise mit einer katalysatorbeschichteten Membran ("Catalyst Coated Membrane"; CCM) oder mit einer Bipolarplatte, in Kontakt steht;
Fig. 25 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine erste Variante der Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 bis 22, bei weicher ein Kuppenbereich des Randstegs mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist; und
Fig. 26 einen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine zweite Variante der Bipolarplattenlage aus den Fig. 19 bis 22, bei welcher ein Kuppenbereich des Randstegs nur partiell mit einer Beschichtung aus einem Elastomermaterial versehen ist. Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur, umfasst einen Stapel, der mehrere in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 106, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten, und eine (nicht dargestellte) Spannvorrichtung zum Beaufschlagen der elektrochemischen Einheiten mit einer längs der Stapelrichtung 104 gerichteten Spannkraft umfasst.
Wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfasst jede elektrochemische Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Bipolarplatte 108 und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 110.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 110 umfasst beispielsweise eine katalysatorbeschichtete Membran ("Catalyst Coated Membrane"; CCM) und zwei Gasdiffusionslagen 112 und 114, wobei eine erste Gasdiffusionslage 112 anodenseitig und eine zweite Gasdiffusionslage 114 kathodenseitig angeordnet ist.
Die Bipolarplatte 108 ist beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet.
Die Bipolarplatte 108 weist mehrere Medium-Durchtrittsöffnungen 116 auf, durch welche jeweils ein der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuzuführendes fluides Medium (im Falle eines Brennstoffzellenstapels beispielsweise ein Anodengas, ein Kathodengas oder ein Kühlmittel) durch die Bipolarplatte 108 hindurchtreten kann. Die Medium-Durchtrittsöffnungen 116 der im Stapel aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 108 und die in der Stapelrichtung 104 zwischen den Medium- Durchtrittsöffnungen 116 liegenden Zwischenräume bilden zusammen jeweils einen Mediumkanal 118.
Jedem Mediumkanal 118, durch welchen ein fluides Medium der elektrochemischen Vorrichtung 100 zuführbar ist, ist jeweils mindestens ein anderer Mediumkanal zugeordnet, durch welchen das betreffende fluide Medium aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 abführbar ist.
Durch ein dazwischenliegendes Strömungsfeld 120, welches vorzugsweise an einer Oberfläche einer benachbarten Bipolarplatte 108 oder (beispielsweise im Falle eines Kühlmittel-Strömungsfeldes) im Zwischenraum zwischen den Lagen einer mehrlagigen Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, kann das Medium aus dem ersten Mediumkanal 118 quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Stapelrichtung 104 zu dem zweiten Mediumkanal strömen.
In Fig. 1 ist beispielsweise ein Mediumkanal 122 für ein Kühlmittel der elektrochemischen Vorrichtung 100 und ein Mediumkanal 124 für ein Anodengas der elektrochemischen Vorrichtung 100 dargestellt.
Durch jeweils einen Verbindungskanal 126 steht jeder Mediumkanal 118 in Fluidverbindung mit dem jeweils zugeordneten Strömungsfeld 120.
Jede Bipolarplatte 108 umfasst bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform eine erste Bipolarplattenlage 132 und eine zweite Bipolarplattenlage 134, die längs Verbindungslinien 130, welche in Fig. 1 in gebrochenen Linien dargestellt sind, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Verschweißen, beispielsweise durch Laserschweißung, fluiddicht aneinander festgelegt sind. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 122 für Kühlmittel über einen Verbindungskanal 136 für Kühlmittel, der durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist, in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld für das Kühlmittel, welches im Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 ausgebildet ist.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, steht der Mediumkanal 124 für Anodengas über einen Verbindungskanal 142 für Anodengas in Fluidverbindung mit einem Strömungsfeld 144 für das Anodengas, welches zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 der Bipolarplatte 108 und der ersten Gasdiffusionslage 112 ausgebildet ist.
Der Verbindungskanal 142 umfasst eine Verbindungskammer 146, die durch einen Zwischenraum zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 gebildet ist und über dem Mediumkanal 124 für Anodengas zugewandte Eintrittsöffnungen 148 in Fluidverbindung mit dem Mediumkanal 124 und über dem Strömungsfeld 144 für das Anodengas zugewandte Gasdurchtrittsöffnungen 150 in Fluidverbindung mit dem Strömungsfeld 144 steht.
Um die Strömung der Medien durch die jeweils zugeordneten Strömungsfelder zu führen, sind die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 der Bipolarplatte 108 im Bereich der Strömungsfelder 120 mit Strömungsleitelementen 152 versehen, welche beispielsweise in Form erhabener Sicken ausgebildet sein können.
Die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 liegen in einer gemeinsamen Hauptebene 154 aneinander an. Die Hauptebene 154 ist senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichtet und verläuft durch die Kontaktflächen 156, an denen die beiden Bipolarplattenlagen 132 und 134 der Bipolarplatte 108 aneinander anliegen.
Die Hauptebene 154 bildet somit vorzugsweise eine Zentralebene der mehrteiligen Bipolarplatte 108.
Ein unerwünschtes Austreten der fluiden Medien aus den Mediumkanälen 118 und den Strömungsfeldern 120 der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird durch eine Dichtungsanordnung 158 vermieden, deren Dichtlinien 160 in der Draufsicht von Fig. 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt sind.
Die Dichtungsanordnung 158 umfasst einen Strömungsfeld-Abschnitt 162 mit der äußeren Dichtlinie 160a und der inneren Dichtlinie 160b, welche zwischen den Strömungsfeldern 120 einerseits und den Mediumkanälen 118 andererseits verlaufen und die Verbindungskanäle 126 queren, durch welche die Strömungsfelder 120 und die jeweils zugeordneten Mediumkanäle 118 in Fluidverbindung miteinander stehen.
Ferner umfasst die Dichtungsanordnung 158 Mediumkanal-Abschnitte 164 mit Dichtlinien 160c, welche jeweils einen der Mediumkanäle 118 zumindest abschnittsweise umgeben und den betreffenden Mediumkanal 118 von einem äußeren Rand 166 der Bipolarplatte 108 trennen.
Die Mediumkanal-Abschnitte 164 der Dichtungsanordnung 158 umfassen jeweils ein Dichtelement 168, welches zwischen einer ersten Bipolarplattenlage 132 einer Bipolarplatte 108 und einer zweiten Bipolarplattenlage 134 einer in der Stapelrichtung 104 benachbarten Bipolarplatte 108' angeordnet ist und sich im Wesentlichen parallel zu einem Rand 170 einer Medium-Durchtrittsöffnung 116 des betreffenden Mediumkanals 118 erstreckt. Der Strömungsfeld-Abschnitt 162 der Dichtungsanordnung 158 umfasst vorzugsweise zwei Dichtelemente 172a und 172b, welche ebenfalls zwischen der ersten Bipolarplattenlage 132 der Bipolarplatte 108 und der zweiten Bipolarplattenlage 134 der benachbarten Bipolarplatte 108' angeordnet sind.
Dabei ist das erste Dichtelement 172a vorzugsweise an der (beispielsweise anodenseitigen) ersten Gasdiffusionslage 112 festgelegt und das zweite Dichtelement 172b vorzugsweise an der (beispielsweise kathodenseitigen) zweiten Gasdiffusionslage 114 der Membran-Elektroden-Anordnung 110 festgelegt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Dichtelemente 172a und 172b an die jeweils zugeordnete Gasdiffusionslage 112 beziehungsweise 114 angespritzt oder angegossen sind.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das erste Dichtelement 172a beispielsweise im Bereich der äußeren Dichtlinie 160a sowohl an der ersten Lage 132 der Bipolarplatte 108 als auch an der zweiten Lage 134 der benachbarten Bipolarplatte 108' und im Bereich der inneren Dichtlinie 160b an der ersten Lage 132 der Bipolarplatte 108 und an dem zweiten Dichtelement 172b anliegt, während das zweite Dichtelement 172b im Bereich der inneren Dichtlinie 160b an der zweiten Lage der Bipolarplatte 108' und an dem ersten Dichtelement 172a anliegt.
Die Dichtelemente 168 der Mediumkanal-Abschnitte 164 der Dichtungsanordnung 158 können einstückig mit dem ersten Dichtelement 172a des Strömungsfeld-Abschnitts 162 der Dichtungsanordnung 158 ausgebildet sein.
Die Dichtungsanordnung 158 kann somit zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein erster Teil 192 der Dichtungsanordnung 158 das erste Dichtelement 172a des Strömungsfeld-Abschnitts 162 und die Dichtelemente 168 der Mediumkanal- Abschnitte 164 umfasst und vorzugsweise von der ersten Gasdiffusionslage 112 getragen ist und wobei ein zweiter Teil 194 der Dichtungsanordnung 158 das zweite Dichtelement 172b des Strömungsfeld-Abschnitts 162 umfasst und vorzugsweise von der zweiten Gasdiffusionslage 114 getragen ist.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, umfassen die erste Bipolarplattenlage 132 und die zweite Bipolarplattenlage 134 im Bereich des Verbindungskanals 126 jeweils Stützstellen 174, welche mit Kontaktflächen 176 aneinander anliegen, um sich gegenseitig abzustützen und die obere Begrenzungswand und die untere Begrenzungswand des Verbindungskanals 126 auf Abstand voneinander zu halten.
Das den Verbindungskanal 126 durchströmende Gas strömt seitlich an den Stützstellen 174 vorbei zu den Gasdurchtrittsöffnungen 150.
Die Gasdurchtrittsöffnungen 150 sind an einem Randsteg 178 der ersten Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, welcher das Strömungsfeld 120 der ersten Bipolarplattenlage 132 berandet.
Der Randsteg 178 umfasst eine dem Strömungsfeld 120 zugewandte strömungsfeldseitige Flanke 180, eine dem Mediumkanal 118 zugewandte mediumkanalseitige Flanke 182 und einen die mediumkanalseitige Flanke 182 und die strömungsfeldseitige Flanke 180 miteinander verbindenden Kuppenbereich 184.
Im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kuppenbereich 184 im Wesentlichen eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplatte 108 beziehungsweise der ersten Bipolarplattenlage 132 ausgerichtet.
Der Kuppenbereich 184 liegt an der ersten Gasdiffusionslage 112 der Membran-Elektroden-Anordnung 110 der jeweiligen elektrochemischen Einheit 106 an. Die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178, an welcher die Gasdurchtrittsöffnungen 150 angeordnet sind, ist unter einem Flankenwinkel a von mehr als 60°, beispielsweise von ungefähr 63°, gegenüber der Hauptebene 154 der Bipolarplatte 108 geneigt.
Im Bereich des Verbindungskanals 126 weist der Randsteg 178 überall dieselbe Höhe Ho und auch überall - abgesehen von den Gasdurchtrittsöffnungen 150, welche in einer Längsrichtung 186 des Randstegs 178 aufeinander folgen und längs der Längsrichtung 186 voneinander beabstandet sind - denselben Querschnitt auf.
Die Längsrichtung 186 des Randstegs 178 verläuft parallel zu einer lokalen Umfangsrichtung 188 des Strömungsfelds 120.
Die in Fig. 2 dargestellte Bipolarplattenlage 132 wird aus einem ebenen Ausgangsmaterial durch einen Präge- und Stanzvorgang hergestellt.
Nach dem Prägen und Stanzen werden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 aus der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des bereits umgeformten Randstegs 178 durch Laserschneiden herausgetrennt.
Durch die mittels Laserschneiden hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen 150 strömt das Gas im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 aus dem Verbindungskanal 126 in das benachbarte Strömungsfeld 120 hinein.
Wenn die Gasdurchtrittsöffnungen 150 an einem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials, aus welchem später der Randsteg 178 geformt wird, erzeugt werden würden, würden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 aufgrund der Formänderung und der Umformarbeit während des Umformvorgangs, durch welchen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials der dreidimensionale Randsteg 178 geformt wird, zu stark geweitet und sich sowohl in den Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 als auch in den Kanalgrund 190 des dem Randsteg 178 benachbarten äußersten Kanals 196 des Strömungsfelds 120 hinein erstrecken, was unerwünscht ist.
Bei der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten alternativen Ausführungsform der Bipolarplattenlage 132 ist daher vorgesehen, dass der Randsteg 178 in Öffnungsabschnitten 198, welche mit jeweils einer der Gasdurchtrittsöffnungen 150 versehen sind, eine geringere Höhe Hi und somit einen geringeren Abstand von der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 aufweist als in zwischen jeweils zwei Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 liegenden Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178.
Durch diese Verringerung der Höhe von dem Wert Ho auf den Wert Hi in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 wird erreicht, dass die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178 mit der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 einen Flankenwinkel a einschließt, welcher kleiner ist als 60°, vorzugsweise kleiner ist als 50°, und im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ungefähr 40° beträgt.
Außerdem ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 in der betriebsbereiten elektrochemischen Vorrichtung 100 von der Gasdiffusionslage 112 beabstandet, an welcher der Kuppenbereich 184 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 anliegt.
Dadurch ist es möglich, dass die Gasdurchtrittsöffnungen 150 sich von der strömungsfeldseitigen Flanke 180 bis in den Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 hinein erstrecken. Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 jeweils berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher zumindest abschnittsweise (nämlich in ihrem im Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 liegenden Abschnitt) - von der dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Durch die lokale Reduzierung der Höhe des Randstegs 178 in den Öffnungsab- schnitten 198 des Randstegs 178 und die damit verbundene Reduktion des Flankenwinkels a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 an den Stellen, an denen die Gasdurchtrittsöffnungen 150 angeordnet sind, werden die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei der Umformung des Randstegabschnitts des ebenen Ausgangsmaterials zu dem dreidimensionalen Randsteg 178 nicht mehr zu stark aufgeweitet.
Es ist daher möglich, aufgrund dieser Designänderung des Randstegs 178 die Gasdurchtrittsöffnungen 150 in dem Ausgangsmaterial herzustellen und nach dem Heraustrennen der Gasdurchtrittsöffnungen 150 aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials diesen Randstegabschnitt so umzuformen, dass aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials der Randsteg 178 gebildet wird.
Dabei können die Gasdurchtrittsöffnungen 150 beispielsweise durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt werden.
Dadurch, dass die Gasdurchtrittsöffnungen 150 durch einen Ausstanzvorgang vor dem Umformen des Ausgangsmaterials zu der Bipolarplattenlage 132 erzeugt werden, ist es möglich, die Bipolarplattenlage 132 in einem Folgeverbundprozess in einem Folgeverbundwerkzeug herzustellen. Dabei werden in einer ersten Stufe des Folgeverbundwerkzeugs die Gasdurchtrittsöffnungen 150 durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials herausgetrennt, und in einer zweiten Stufe des Folgeverbundwerkzeugs werden das Strömungsfeld 120 und der Randsteg 178 durch Umformen, beispielsweise durch einen Prägevorgang, erzeugt.
Dadurch entfällt der aufwändige Prozessschritt des Laserschneidens in der Produktion der Bipolarplattenlage 132, und die Durchlaufzeit der Bipolarplattenlage 132 durch den Produktionsprozess wird verringert.
Dabei bleibt das Design der Bipolarplattenlage 132 weiterhin kompakt und kann in einer kostengünstigen industriellen Serienproduktion hergestellt werden.
Eine in den Fig. 7 bis 10 dargestellte zweite Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Randsteg 178 keine mediumkanalseitige Flanke 182 aufweist.
Vielmehr geht bei dieser Ausführungsform, wie am besten aus Fig. 9 zu ersehen ist, die strömungsfeldseitige Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öff- nungsabschnitten 198 unmittelbar in einen ebenen Bereich 202 der Bipolarplattenlage 132 über, welcher eine Begrenzungswand des Verbindungskanals 126 bildet und von welchem aus die Stützstellen 174 sich in den Innenraum des Verbindungskanals 126 und zu der zweiten Bipolarplattenlage 134 hin erstrecken.
Die Gasdurchtrittsöffnungen 150 des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 im Bereich der Öffnungsabschnitte 198 ausgebildet, wo die strömungsfeldseitige Flanke 182 im Wesentlichen eben ist. Wie am besten aus Fig. 9 zu ersehen, ist der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 bei dieser Ausführungsform besonders klein, vorzugsweise kleiner als 10°, beispielsweise 9°.
Aufgrund dieses kleinen Flankenwinkels a ist die Höhe H2 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei dieser zweiten Ausführungsform besonders klein im Verhältnis zu der Höhe Ho des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200.
Folglich ist auch der Umformungsgrad des Ausgangsmaterials, welchem der Randstegabschnitt des Ausgangsmaterials in den Öffnungsabschnitten 198 unterworfen werden muss, um den Randsteg 178 der zweiten Ausführungsform aus dem Randstegabschnitt des ebenen Ausgangsmaterials durch einen Umformvorgang, insbesondere durch einen Prägevorgang, zu bilden, besonders klein.
Die durch Ausstanzen aus dem Randstegabschnitt des ebenen Ausgangsmaterials hergestellten Gasdurchtrittsöffnungen 150 verformen sich daher während der Bildung des Randstegs 178 aus dem Randstegabschnitt durch einen Umformvorgang nur wenig, so dass ein Einreißen der Ränder der Gasdurchtrittsöffnungen 150 weitgehend vermieden werden kann und die endgültige Gestalt der Gasdurchtrittsöffnungen 150 im fertig umgeformten Randsteg 178 besonders gut kontrollierbar ist.
Im Übrigen stimmt die in den Fig. 7 bis 10 dargestellte zweite Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird. Eine in den Fig. 11 bis 13 dargestellte dritte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 kleiner ist als bei der ersten Ausführungsform.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 kleiner als 30° ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 größer ist als 20°.
Beispielsweise kann der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 ungefähr 24° betragen.
Wie am besten aus dem Querschnitt der Fig. 13 zu ersehen ist, sind die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 der Öffnungsabschnitte 198 des Randstegs 178 ausgebildet.
Ferner ist die strömungsfeldseitige Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher im Wesentlichen eben ausgebildet. Ferner ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsab- schnitten 198 bei dieser Ausführungsform nicht eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, sondern - von der im betriebsbereiten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Die Höhe H3 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ist bei dieser dritten Ausführungsform vorzugsweise größer als die Höhe H2 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei der in den Fig. 7 bis 10 dargestellten zweiten Ausführungsform und vorzugsweise kleiner als die Höhe Hi des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform, jeweils bezogen auf die Höhe Ho des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 des jeweiligen Randstegs 178.
Im Übrigen stimmt die in den Fig. 11 bis 14 dargestellte dritte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den Fig. 15 bis 18 dargestellte vierte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178, an welchem der Randsteg 178 seine größte Höhe Ho aufweist, in einer Draufsicht auf den Randsteg 178 längs der Stapelrichtung 104 eine wellenförmige Gestalt aufweist.
Insbesondere sind die Kuppenbereichsabschnitte 204 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 gegenüber den Kuppenbereichsabschnitten 206 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 in einer senkrecht zu der Stapelrichtung 104 und senkrecht zu der Längsrichtung 186 des Randstegs 178 ausgerichteten Querrichtung 208 von dem Strömungsfeld 120 weg in Richtung zu dem Mediumkanal 118 hin versetzt.
Wie am besten aus Fig. 18 zu ersehen ist, ist die Höhe H4 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 bei dieser dritten Ausführungsform gleich groß wie die Höhe Ho des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200.
Dennoch ist der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 reduziert, weil durch den Versatz der Kuppenbereichsabschnitte 204 in den Öffnungsabschnitten 198 von dem Strömungsfeld 120 weg die Länge der strömungsfeldseitigen Flanke 180 längs der Querrichtung 208, über welche diese Höhe H4 = Ho des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 erreicht wird, größer ist, wodurch der Flankenwinkel a verringert wird, ohne dass die Breite des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 ebenfalls vergrößert werden muss.
Wie am besten aus Fig. 17 zu ersehen ist, sind bei der vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 die Gasdurchtrittsöffnungen 150 vollständig in den strömungsfeldseitigen Flanken 180 der Öffnungsabschnitte 198 ausgebildet.
Ferner sind die strömungsfeldseitigen Flanken 180 der Öffnungsabschnitte 198 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen eben ausgebildet.
Bei dieser vierten Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 sind somit die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 im Wesentlichen eben ausgebildet. Im Übrigen stimmt die in den Fig. 15 bis 18 dargestellte vierte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 für eine Bipolarplatte 108 einer elektrochemischen Einheit 106 einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 3 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den Fig. 19 bis 22 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in den Fig. 11 bis 14 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 größer ist als bei der dritten Ausführungsform.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 größer als 30°, vorzugsweise größer als 35°, ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 kleiner ist als 45°, besonders bevorzugt kleiner als 40°.
Beispielsweise kann der Flankenwinkel a der strömungsfeldseitigen Flanke 180 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 ungefähr 37° betragen.
Wie am besten aus dem Querschnitt der Fig. 21 zu ersehen ist, sind die Gasdurchtrittsöffnungen 150 bei dieser Ausführungsform vollständig in der strömungsfeldseitigen Flanke 180 der Öffnungsabschnitte 198 des Randstegs 178 ausgebildet. Ferner ist die strömungsfeldseitige Flanke 180 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
Die die Gasdurchtrittsöffnungen 150 berandenden Randbereiche des Randstegs 178 sind bei dieser Ausführungsform daher im Wesentlichen eben ausgebildet.
Ferner ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 bei dieser Ausführungsform nicht eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet, sondern - von der im betriebsbereiten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 dem Verbindungskanal 126 abgewandten Außenseite des Randstegs 178 aus gesehen - konvex gekrümmt ausgebildet.
Die Höhe Ho des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ist bei dieser fünften Ausführungsform vorzugsweise gleich groß wie die Höhe Ho des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178.
In den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 ist der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 im Wesentlichen eben und im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene 154 der Bipolarplattenlage 132 ausgebildet.
Im Übrigen stimmt die in den Fig. 19 bis 22 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 11 bis 14 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In Fig. 23 ist dargestellt, wie der Randsteg 178 der Bipolarplattenlage 132 gemäß der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform im montierten Zustand der elektrochemischen Einheit 106 der elektrochemischen Vorrichtung 100 in Kontakt mit einem porösen Element 212 steht. Dabei liegt das poröse Element 212 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 flächig an dem dort eben ausgebildeten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 an, während das poröse Element 212 in den Öffnungsab- schnitten 198 des Randstegs 178 linienförmig an dem dort konvex gekrümmten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 anliegt.
Das poröse Element 212 kann beispielsweise als eine Gasdiffusionslage 214 ausgebildet sein.
In Fig. 24 ist dargestellt, wie statt des porösen Elements 212 eine dünne Folie 218 an dem Randsteg 178 der Bipolarplattenlage 132 gemäß der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform in Kontakt steht.
Dabei liegt die dünne Folie 218 in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 flächig an dem dort eben ausgebildeten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 an, während die dünne Folie 218 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 linienförmig an dem dort konvex gekrümmten Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 anliegt.
Die dünne Folie 218 kann beispielsweise als eine Membran 216, beispielsweise als eine katalysatorbeschichtete Membran ("Catalyst Coated Membrane";
CCM) oder als eine weitere Bipolarplattenlage 132' ausgebildet sein.
Fig. 25 zeigt eine erste Variante der in den Fig. 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132, bei welcher die Bipolarplattenlage 132 im Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 mit einer Beschichtung 210, welche vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet ist, versehen ist. Die Beschichtung 210 erstreckt sich dabei vorzugsweise - zumindest in den Zwischenabschnitten 200 des Randstegs 178 - über die gesamte Breite des Kuppenbereichs 184, das heißt über dessen gesamte Ausdehnung längs der Querrichtung 208, hinweg.
Der konvex gekrümmte Kuppenbereich 184 in den Öffnungsabschnitten 198 des Randstegs 178 kann ebenfalls mit einer Beschichtung 210, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, versehen sein. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Kuppenbereich 184 in den Öffnungsabschnitten 198 unbeschichtet bleibt.
Eine in Fig. 26 dargestellte zweite Variante der in den Fig. 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 unterscheidet sich von der in Fig. 25 dargestellten ersten Variante dadurch, dass die Beschichtung 210, mit welcher der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Zwischenabschnitten 200 versehen ist, sich nicht über die gesamte Breite, das heißt die Ausdehnung längs der Querrichtung 208, des Kuppenbereichs 184 hinweg erstreckt, sondern nur über einen schmaleren Teil des Kuppenbereichs 184, vorzugsweise über einen mittig an dem Randsteg 178 angeordneten zentralen Abschnitt des Kuppenbereichs 184.
Auch bei dieser Variante kann der Kuppenbereich 184 des Randstegs 178 in den Öffnungsabschnitten 198 ebenfalls mit einer Beschichtung 210, vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, versehen sein oder unbeschichtet bleiben.
Im Übrigen stimmen die in den Fig. 25 und 26 dargestellten ersten und zweiten Varianten der in den Fig. 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform einer Bipolarplattenlage 132 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den Fig. 19 bis 22 dargestellten fünften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

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