WO2024022697A2 - Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte - Google Patents

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WO2024022697A2
WO2024022697A2 PCT/EP2023/067359 EP2023067359W WO2024022697A2 WO 2024022697 A2 WO2024022697 A2 WO 2024022697A2 EP 2023067359 W EP2023067359 W EP 2023067359W WO 2024022697 A2 WO2024022697 A2 WO 2024022697A2
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cell unit
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Andreas Heider
Roland Gauch
Axel Bormann
Thorsten Bauer
Thorsten Laube
Johannes Hagen
Paul VELTMANS
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a bipolar plate for an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1, a method for producing an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 14 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
  • Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidant into electrical energy and water using redox reactions at an anode and cathode.
  • Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping.
  • a large number of fuel cells are arranged in a stack as a stack.
  • a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack.
  • a gas space for oxidizing agents i.e. a flow space for passing oxidizing agents through, such as air from the environment with oxygen.
  • the gas space for oxidizing agents is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are therefore formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and this passes through the gas diffusion layer Oxidant, namely oxygen, to the cathode of the fuel cells.
  • Oxidant namely oxygen
  • Electrolysis cell units made of stacked electrolysis cells are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolysis cell units.
  • Fuel cell units and electrolysis cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolysis cells form electrochemical cells.
  • the disc-shaped components of fuel cells are proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates.
  • the electrically conductive bipolar plates are an essential part of the stack. These function as a current collector, for draining water and for guiding the reaction gases as well as liquid or gaseous coolant through flow spaces, in particular channels or channel structures.
  • the bipolar plates rest on contact surfaces on the gas diffusion layers.
  • the bipolar plates are generally formed from two or three stainless steel plates.
  • a first and second plate are placed on top of each other and then the plates are welded together so that weld seams are formed.
  • the weld seams not only have the function of connecting the plates to one another in a cohesive and electrically conductive manner, but also serve to fluid-tightly seal channels for coolant that are formed between two plates.
  • a correspondingly corrugated first and second plate are placed on top of each other and stacked so that the insides of the first and second plates lie on top of each other at strip-shaped contact areas and between the insides there is a gap of a thickness at the strip-shaped contact areas.
  • the thickness of the gaps is small, ie Columns form a technical zero gap smaller than 20 pm.
  • the first and second plates must be stacked on top of each other in a correct lateral relative position as the target position so that the welded connections are made exclusively at the strip-shaped contact areas as joining areas.
  • the welds can no longer be made without interruptions between the first and second plates, so that fluids pass horizontally in the direction of the plane of the first and second plates at leaks between the first and second plates.
  • contact forces are applied to the first and second plates during the molding process using mechanical hold-down devices, so that as a result of the applied contact forces, the insides of the first and second plates lie on one another with an additional pressure force at a contact area due to the applied contact forces. Due to the additional pressure force, the zero gap is formed at the contact areas.
  • the rod- or tong-shaped mechanical hold-down devices hinder the formation of the weld seams by means of laser welding because the laser beam is blocked by the mechanical hold-down devices, so that hold-down devices are constantly released during laser welding, i.e. H. deactivated, and others placed on the plates, i.e. H. must be activated. It is therefore a time-consuming constant change of the hold-down devices, e.g. B. of gripping tongs, necessary during welding.
  • the vacuum chamber can, for example, be formed by an intermediate space between the first and second plates or the vacuum chamber is delimited by an underside of a disk-shaped mechanical hold-down device and an upper side of a support plate for the first lower plate.
  • the higher ambient pressure acts on the top of the mechanical hold-down device and a contact element is formed on the mechanical hold-down device
  • the contact force is applied to the first and/or second plate with the contact element.
  • the disc-shaped mechanical hold-down device is ring-shaped with a circumferential contact projection as a contact element and, due to its geometry, does not hinder the guidance of the laser beam.
  • connecting channels are formed for the fluid-conducting connection of fluid openings as supply and discharge channels for the process fluids fuel, oxidizing agent and coolant with transverse distribution channels and/or channels for the process fluids.
  • the connecting channels open at connection openings into the transverse distribution channels and/or into the channels for the process fluids.
  • the connecting openings are mechanically punched into the first and/or second plate using punching machines to provide the first and/or second plate before stacking the first and second plates on top of one another and producing the welded connection between the first and/or second plates second plate.
  • This mechanical incorporation of the connection openings is disadvantageously expensive with low manufacturing accuracy.
  • changes to the geometry of the connecting openings require a cost-intensive replacement of the punching tools.
  • the DE 102021 206 581 A1 shows a method for producing a bipolar plate for an electrochemical cell unit with the steps: providing a first plate and a second plate, stacking the first plate and the second plate on top of each other so that insides of the first and second Plates lie on top of each other and a gap is formed between the first and second plates, applying contact forces to the first and second plates, so that as a result of the applied contact forces, the insides of the first and second plates come together with an additional pressure force at a contact area due to the applied contact forces lie, producing a welded connection between the first and the second plate, wherein the intermediate space as a vacuum chamber is subjected to a negative pressure compared to an ambient pressure, so that the contact forces applied to the first and / or second plate are influenced by the ambient pressure on the first and / or or second plate can be applied. Disclosure of the invention
  • Method according to the invention for producing a bipolar plate for an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and / or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells with the steps: providing a first plate and a second plate , Stacking the first plate and the second plate on top of each other so that insides of the first and second plates lie on top of each other, applying contact forces to the first and second plates by means of a negative pressure in a negative pressure chamber compared to an ambient pressure, so that resulting from the Ambient pressure applied contact forces, the inner sides of the first and second plates lie on one another at a contact area due to the applied contact forces with an additional pressure force, producing at least one welded connection between the first and the second plate with a laser beam, forming connecting channels for process fluids on the first and / or second Plate, which open into fluid openings on the bipolar plates and into channels for process fluids on the bipolar plates, incorporating connection openings into the first and / or second plate
  • the connecting channels are preferably formed as a gap between the first and second plates and/or on an outside of the first plate and/or on an outside of the second plate.
  • the process fluids are fuel and/or oxidizer and/or coolant and/or the electrolyte for the anode and/or the electrolyte for the cathode.
  • the welded connection between the first and second plates is first produced and then the connecting openings are machined into the first and/or second plate using the laser beam.
  • the vacuum chamber is not subjected to a negative pressure because the first and second plates are connected to one another during the incorporation of the connection openings with the welded connection.
  • the vacuum chamber is subjected to a negative pressure while the connecting openings are being incorporated with the laser beam.
  • contact forces are first applied to the first and second plates by means of the negative pressure in the negative pressure chamber in comparison to the ambient pressure and then, at the same time, the welded connection between the first and second plates is produced.
  • connecting channel geometries are incorporated into the first and/or second plate by means of deformation, in particular embossing, so that after stacking the first plate and the second plate on top of one another, the connecting channels are formed as a gap between the first and second plates due to the connecting channel geometries .
  • the connecting channel geometries are incorporated, for example, with presses as a process step to provide the first and/or second plate.
  • the incorporation of the connecting channel geometries into the first and/or second plate is carried out before stacking the first plate and the second plate on top of one another.
  • the correct position of a focal spot of the laser beam generated by a laser system for incorporating the connection openings on the first and/or second plate is optically recorded, in particular with a laser scanner and/or with a camera and an image processing system.
  • the laser beam is preferably directed to the optically determined correct position of the focal spot.
  • the data on the geometry of the first and/or second plate is also used.
  • the at least one connection opening for each connection channel with the laser beam is incorporated into the first and/or second plate by cutting through the first and/or second plate with the laser beam on at least one flap geometry and then at least a portion of the first and/or / or second plate as the at least one flap is moved, in particular pivoted.
  • the movement of the at least one flap is expediently caused by an internal stress or prestress of the first and/or second plate.
  • the internal stress or prestress of the first and/or second plate is introduced into the first and/or second plate using an embossing process, in particular before stacking the first and second plates.
  • the at least one connection opening for each connection channel with the laser beam is incorporated into the first and/or second plate by cutting through the first and/or second plate with the laser beam at at least one recess geometry and then at least a portion of the first and / or second plate is removed from the remaining first and / or second plate.
  • the at least one connection opening for each connection channel with the laser beam is incorporated into the first and/or second plate by cutting through the first and/or second plate with the laser beam on at least one remelting geometry and the material of the first and/or melted during the cutting or second plate on the edge of the first and / or second plate, which delimits the at least one connection opening, is deposited as a melt lip at least partially, preferably to at least 90%, 95%, 98% or 99%, in particular completely.
  • no deposits, for example as splashes, of the molten material outside the enamel lip occur on the remaining bipolar plate.
  • the at least one connection opening is designed to be slot-shaped and/or circular and/or T-shaped.
  • the laser beam for incorporating the connecting openings has a power between 200 W and 800 W, in particular between 400 W and 600 W, and/or the laser beam for incorporating the connecting openings has a diameter between 100 pm and 500 pm, in particular between 200 pm and 400 pm, and/or a relative speed between the first and/or second plate and the focal spot of the laser beam for incorporating the connecting openings is between 300 mm/s and 700 mm/s, in particular between 400 mm/s and 600 mm/s, and /or the thickness of the first and/or second plate at the focal spot of the laser beam for incorporating the connection openings is between 25 pm and 125 pm, in particular between 50 pm and 100 pm.
  • Method according to the invention for producing an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and / or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells with the steps: providing layer-shaped components of the electrochemical cells, namely preferably proton exchange membranes, Anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, stacking the layered components to form electrochemical cells and a stack of the electrochemical cell unit, the bipolar plates being provided by carrying out a method described in this patent application.
  • Electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and / or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged in a stacked manner and the electrochemical cells each comprising layer-shaped components arranged in a stacked manner and the components of the electrochemical cells preferably comprise proton exchange membranes, Anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, wherein connecting channels for process fluids between the first and second plates are formed on the bipolar plates and the connecting channels open into fluid openings on the bipolar plates and into channels for process fluids on the bipolar plates and in the first and / or second plates the bipolar plates have connection openings which connect the connection channels with the channels for process fluids on the bipolar plates, the electrochemical cell unit being produced using a method described in this patent application and/or the connection openings on the first and/or second plates being delimited by melting lips, in particular the melting lips have a greater thickness than the first and/or second plate outside the melting lips and/
  • the connecting channels each have a first end formed by at least one additional fluid opening, which opens into the fluid opening, and a second end each formed by at least one connecting opening, which opens into the transverse distribution channels and/or into the channels for the process fluids. mouth.
  • a gap is formed between the first and second plates, in particular due to stacking the first plate and the second plate on top of each other, so that inner sides of the first and second plates lie on top of each other.
  • connection openings are formed on each connection channel.
  • the contact forces are applied to the first and/or second plate with at least one mechanical hold-down device by means of a negative pressure in a vacuum chamber and by means of an ambient pressure, which act indirectly and/or indirectly on the at least one mechanical hold-down device.
  • Due to the Geometry of the at least one hold-down device does not require changing the at least one hold-down device during the production of the welded connection because the at least one hold-down device is essentially two-dimensional and / or disk-shaped, so that the expansion of the at least one hold-down device in the direction of one of the at least one mechanical
  • the fictitious plane spanned by the hold-down device is significantly larger, in particular at least 2, 5, 10 or 20 times larger than perpendicular to the fictitious plane.
  • the at least one mechanical hold-down device and/or a fictitious plane spanned by the at least one mechanical hold-down device is essentially parallel during the production of the welded connection and/or the incorporation of the connection openings, in particular with a deviation of less than 30°, 20° or 10 °, aligned with the first and/or second plate and/or with a fictitious plane spanned by the first and/or second plate.
  • the contact force is substantially constant during production of the weld, preferably with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
  • the vacuum chamber is delimited by the at least one mechanical hold-down device, so that a negative pressure force is applied to the hold-down device indirectly and/or directly due to the negative pressure in the vacuum chamber and the ambient pressure, and this negative pressure force is at least partially exerted by the at least one mechanical hold-down device. in particular completely, as the at least one contact force is transmitted to the first and/or second plate.
  • the vacuum chamber is delimited by an upper side of the support plate subjected to negative pressure and at least one lower side of the at least one mechanical hold-down device subjected to negative pressure.
  • the space between the first and second plates is acted upon as a vacuum chamber with a negative pressure compared to an ambient pressure, so that the pressure on the first and/or Second plate applied contact forces from the ambient pressure are applied to the first and / or second plate.
  • a vacuum chamber with a negative pressure compared to an ambient pressure, so that the pressure on the first and/or Second plate applied contact forces from the ambient pressure are applied to the first and / or second plate.
  • DE 10 2021 206 581 A1 is included in this patent application.
  • the negative pressure in the negative pressure chamber is 100 mbar, 300 mbar or 500 mbar lower than the ambient pressure.
  • the ambient pressure is generally approximately 1000 mbar, so that with a negative pressure in the gap of 300 mbar, a pressure difference between the gap and the environment of 700 mbar occurs.
  • the ambient pressure of 1000 mbar thus acts on the outside of the first and second plates and the negative pressure of 300 mbar acts on the inside of the first and second plates when the vacuum chamber is formed as the intermediate space, so that due to this pressure difference the pressure forces on the outside are greater are as on the inside and thus as the resulting total force from this the first and second plates lie on top of each other with the additional pressure force without taking gravity into account.
  • the first plate is first placed on a support plate and then the second plate is placed on the first plate.
  • the space between the first and second plates is sealed with respect to the environment with at least one sealant, in particular after the second plate has been placed on the first plate.
  • the space between the first and second plates includes channels for coolant.
  • the gap between the first and second plates includes zero technical gaps at the contact area.
  • the welded connection is produced using laser welding.
  • a negative pressure is applied compared to an ambient pressure.
  • the negative pressure in the negative pressure chamber is maintained continuously and essentially constant throughout the production of the entire welded joint. Essentially, preferably means with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
  • a protective gas is directed to the focal spot, in particular by means of a movable nozzle.
  • a seal is formed from the at least one weld seam produced using laser beam welding to seal the at least one channel for coolant between the first and second plates to the outside.
  • At least 90% of the bipolar plates, in particular all bipolar plates, are made available to the fuel cell unit by carrying out a method described in this patent application.
  • the first and second plates are at least partially, in particular completely, made available from metal, in particular stainless steel and/or aluminum, and/or plastic and/or composite material.
  • the first and second plates are provided at least partially, in particular completely, in a wave-shaped and/or disk-shaped and/or layer-shaped manner.
  • the bipolar plate is formed from two or three plates and the two or three plates are connected to one another using the welded connection using the method described in this patent application.
  • the at least one welded connection of the bipolar plate is produced, in particular exclusively, at the contact area.
  • the electrochemical cell unit comprises at least 50, 100, 200 or 400 stacked electrochemical cells.
  • the invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.
  • Part of the invention is also a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.
  • the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.
  • the electrolysis cells of the electrolysis cell unit are fuel cells.
  • the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate.
  • the stack is enclosed by the housing and/or the connection plate.
  • the fuel cell unit described in this patent application additionally forms an electrolytic cell unit as a reversible fuel cell unit and preferably vice versa.
  • Components for electrochemical cells are useful, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, in particular separator plates.
  • the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
  • the fuel cells and/or electrolysis cells are expediently designed to be essentially flat and/or disk-shaped.
  • the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
  • the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
  • PEM fuel cell unit with PEM fuel cells
  • SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
  • AFC alkaline fuel cell
  • FIG. 1 is a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
  • FIG. 2 is a perspective view of part of a fuel cell and electrolysis cell
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolysis cells
  • FIG. 4 shows a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack
  • 5 shows a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack
  • FIG. 6 is a perspective view of a bipolar plate
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through a bipolar plate comprising two plates which are connected to one another with a weld as a through-weld and a weld is also formed
  • FIG. 9 shows a longitudinal section through a bipolar plate comprising two plates which are connected to one another with a weld seam as a weld during the welding process with a laser beam
  • FIG. 11 shows a horizontal section through the bipolar plate in the area of a fluid opening as a discharge channel for oxidizing agents
  • FIG. 12 shows an enlarged detail from FIG. 11,
  • Fig. 15 is a partial perspective view of the bipolar plate
  • connection openings for the passage of process fluids into or out of the connection channel in a first exemplary embodiment 16 shows a section AA according to FIG. 15 of a second plate of the bipolar plate with the connection openings,
  • connection openings for passing process fluids into or out of the connection channel in a second exemplary embodiment
  • connection openings for passing process fluids into or out of the connection channel in a third exemplary embodiment
  • FIG. 19 shows a section BB according to FIG. 18 of a second plate of the bipolar plate with the connection openings
  • connection openings for the passage of process fluids into or out of the connection channel.
  • connection openings for passing process fluids into or out of the connection channel in a fifth exemplary embodiment.
  • FIG. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3).
  • the principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction.
  • Hydrogen H2 is passed to an anode 7 as gaseous fuel and the anode 7 forms the negative pole.
  • a gaseous oxidizing agent namely air with oxygen, is passed to a cathode 8, i.e. H. the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent.
  • a reduction (electron absorption) takes place at the cathode 8.
  • the oxidation as electron release is carried out at the anode 7.
  • the difference in the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as the reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be achieved and in operation with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V can be achieved.
  • the series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2 has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8.
  • PEM Proton Exchange Membrane
  • the anode 7 and cathode 8 are layer-shaped or disk-shaped.
  • the PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases.
  • the PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 pm to 150 pm thick, proton-conducting films made of perfluorinated and sulfonated polymers are used.
  • the PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + so that charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 to the protons H + .
  • the PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O 2 and hydrogen H 2 , that is, it blocks the flow of oxygen O 2 and hydrogen H 2 between a gas space 31 on the anode 7 with fuel hydrogen H 2 and the gas space 32 on the cathode 8 with air or oxygen O 2 as an oxidizing agent.
  • the Proton conductivity of PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
  • the electrodes 7, 8 lie on the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32, as the anode 7 and cathode 8.
  • a unit consisting of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA).
  • the electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5.
  • the electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and in microporous carbon fiber, Fiberglass or plastic mats are hot-pressed.
  • a catalyst layer 30 is normally applied to the electrodes 7, 8 on the side facing the gas spaces 31, 32 (not shown).
  • the catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodispersed platinum-ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binder.
  • the catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodisperse platinum.
  • National®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol, for example, are used as binders.
  • the electrodes 7, 8 are made up of an ionomer, for example National®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and also function as a catalyst layer 30 (FIGS. 2 and 3) due to the platinum-containing carbon particles.
  • Membrane electrode arrangements 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode arrangements 6 as CCM (catalyst coated membrane).
  • a gas diffusion layer 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) lies on the anode 7 and the cathode 8.
  • the gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7.
  • the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from channels 13 for oxidant evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8.
  • the GDL 9 pulls also water of reaction in the opposite direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in a direction from the catalyst layer 30 or electrodes 7, 8 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current.
  • the GDL 9, for example, is made up of a hydrophobic carbon paper as a carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as a microporous layer.
  • a bipolar plate 10 rests on the GDL 9.
  • the electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for dissipating water and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and / or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular in the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8.
  • channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for the passage of a liquid or gaseous coolant as a process fluid.
  • the channel structure 29 on the gas space 31 for fuel is formed by channels 12.
  • the channel structure 29 on the gas space 32 for oxidizing agents is formed by channels 13.
  • the materials used for the bipolar plates 10 are, for example, metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite.
  • a plurality of fuel cells 2 are arranged in an aligned stacked manner (FIGS. 4 and 5).
  • 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged in an aligned stacked manner.
  • Seals 11 seal the gas spaces 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner.
  • Hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar in a compressed gas storage 21 (FIG. 1). From the compressed gas storage 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 in order to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar.
  • the fuel is fed from the medium pressure line 17 to an injector 19. At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure between 1 bar and 3 bar.
  • the fuel is supplied from the injector 19 to a supply line 16 for fuel (FIG. 1) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel.
  • the fuel thereby flows through the gas space 31 for the Fuel.
  • the gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7. After the flow through the channels 12, the fuel not used in the redox reaction at the anode 7 and, if necessary, water from a controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
  • a gas conveying device 22 conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. From the supply line 25, the air is supplied to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent.
  • the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8.
  • Channels 13 or the gas space 32 for the oxidizing agent 32, the oxidizing agent not used on the cathode 8 and the reaction water formed on the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26.
  • a supply line 27 serves to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 serves to drain off the coolant passed through the channels 14.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are shown in Fig. 1 as separate lines for reasons of simplicity.
  • aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 are formed in the stack as a stack of the fuel cell unit 1 as an extension at the end region 40 of the bipolar plates 10 lying one on top of the other (FIG.
  • the fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disc-shaped and span fictitious planes 59 that are essentially parallel to one another.
  • the aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the fictitious planes 59 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply channel 42, an oxidant discharge channel 43, a fuel supply channel 44, a fuel discharge channel 45, etc Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 within the stack of the fuel cell unit 1.
  • the fuel cell stack 1 together with the Compressed gas storage 21 and the gas delivery device 22 form a fuel cell system 4.
  • the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34.
  • a first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2.
  • the fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in FIGS. 4 and 5 for illustrative reasons.
  • the clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, i.e. H. the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 with a compressive force and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a compressive force.
  • the fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure the tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
  • four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subject to tension.
  • the four bolts 38 are connected to the chipboard 34.
  • the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown in FIG.
  • the bipolar plate 10 comprises the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29.
  • the channels 12, 13 and 14 are not shown separately in FIG
  • Bipolar plates 10 and membrane electrode arrangements 6 (not shown) are stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 are formed.
  • Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.
  • the bipolar plate 10 has a length 61 and a width 62.
  • the channel 14 or the channels 14 for coolant as a channel structure 29 have a length 63 and the width of the channel structure 29 essentially corresponds, in particular with a deviation of less than 20% or 10%, to the width 62 of the bipolar plate 10.
  • the bipolar plate 10 also contains the gas space 31 for fuel
  • separator plate 51 can also be selected for the bipolar plate 10 for the fluid-tight separation or separation of process fluids.
  • the term bipolar plate 10 also includes the term separator plate 51 and vice versa.
  • the channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidizing agent and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52, but with a different function.
  • the fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1.
  • electrolytic cell unit 49 forms a reversible fuel cell unit 1.
  • a sufficient concentration of oxonium ions H 3 0 + in the liquid electrolyte is necessary for electrolysis.
  • the polarity of the electrodes 7, 8 is carried out with electrolysis when operating as an electrolytic cell unit 49 in the opposite way (not shown) as when operating as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is passed, at the cathodes Hydrogen H2 is formed as a second substance and the hydrogen H2 is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is passed through the channels 13 for oxidizing agents and oxygen O2 is formed as the first substance at the anodes in or on channels 13 for oxidizing agents.
  • the fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 function as electrolytic cells 50.
  • the fuel cells 2 and electrolytic cells 50 thus form electrochemical cells 52.
  • the oxygen O2 formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is stored in a storage container 54.
  • two storage containers 54 of the fuel cell system 4 are shown, which also functions as an electrolytic cell system 48.
  • the 3-way valve 55 on the supply line 16 for fuel is switched during operation as an electrolysis cell unit 49, so that not fuel from the compressed gas storage 21, but the liquid electrolyte is introduced with a pump 56 from the storage container 54 into the supply line 16 for fuel .
  • a 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidizing agent is switched during operation as an electrolytic cell unit 49, so that not oxidizing agent as air comes out of the gas conveying device 22, but rather the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage container 54 into the supply line 25 for oxidizing agent is initiated.
  • the fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so is the liquid electrolyte easily drains completely or the gas diffusion layer 9 is not formed or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10.
  • the electrolysis cell unit 49 with the storage container 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms a electrochemical cell system 60.
  • a separator 57 for hydrogen is arranged on the fuel discharge line 15. The separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas storage 21 using a compressor, not shown. The electrolyte derived from the hydrogen separator 57 is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte via a line.
  • a separator 58 for oxygen is arranged on the fuel discharge line 26. The separator 58 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen and the separated oxygen is introduced into a compressed gas storage unit for oxygen, not shown, using a compressor (not shown).
  • the oxygen in the compressed gas storage for oxygen can optionally be used for the operation of the fuel cell unit 1 by sliding the oxygen into the supply line 25 for oxidizing agent with a line, not shown, when operating as a fuel cell unit 1.
  • the electrolyte derived from the separator 58 for oxygen is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte via a line.
  • the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolysis cell unit 49 and the pump 56 has been switched off, the liquid electrolyte runs completely back into the storage container 54 due to gravity.
  • an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 to completely remove the liquid electrolyte before passing gaseous fuel and Oxidizer.
  • the fuel cells 2 and the electrolysis cells 2 thus form electrochemical cells 52.
  • the fuel cell unit 1 and the electrolysis cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53.
  • the channels 12 for fuel and the channels for oxidizing agent thus form channels 12, 13 for passing the liquid electrolyte through during operation as an electrolytic cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26.
  • an electrolytic cell unit 49 normally does not require any channels 14 for passing coolant through.
  • the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolytes and the Channels 13 for oxidizing agents also form channels 13 for passing fuel and/or electrolytes.
  • the bipolar plates 10 are manufactured using laser steel welding from the first plate 64 and the second plate 65 as monopolar plates 64, 65.
  • a correspondingly corrugated first and second plate 64, 65 is placed on top of one another and stacked, so that the insides 66 of the first and second plates 64, 65 lie on top of one another as a joint at strip-shaped contact areas 68.
  • the fictitious planes 59, spanned by the disk-shaped first and second plates 64, 65, are then aligned essentially parallel to one another.
  • the first and second plates 64, 65 made of stainless steel each have an outside 67 opposite the insides 66.
  • strip-shaped channels 14 for coolant are formed outside the strip-shaped contact areas 68 between the insides 66 of the first and second plates 64, 65, which form a gap 79 form.
  • the geometry of the first and second plates 64, 65 provided with a large number of waves means that a large number of channels 14 are formed between the contact areas 68.
  • the first and second plates 64, 65 as monopolar plates 64, 65 are materially connected to one another using laser beam welding to form the bipolar plate 10, so that a welded connection 69 is produced as a large number of weld seams 70 between the first and second plates 64, 65.
  • a laser system includes a laser 73 that emits a laser beam 74 (Fig. 9). The laser 73 emits a laser beam 74 as a focused electromagnetic wave. The laser beam 74 is emitted onto the outside 67 of the second plate 65 using an optical system 75, so that the laser beam 74 impinges on the outside 67 of the second plate 65 at a focal spot with a diameter of approximately 100 pm.
  • a movement unit moves either the laser beam 74 over the outside 67 of the second plate 65 and / or the first and second plates 64, 65 under the laser beam 74, so that a relative feed direction 78 of the laser beam 74 to the first and second plates 64 , 65 results.
  • the laser beam 74 is absorbed by the outside 67 of the second plate 65, so that during the welding process, the temperature of the stainless steel of the first and second plates 64, 65 rises above the melting temperature and as a result a liquid melt 77 is formed during the welding process, which then cools again and solidifies to form the weld connection 69 as the weld seam 70.
  • a keyhole 76 as a vapor capillary in the liquid melt 76 in the beam direction of the laser beam 74 which is designed as a tubular cavity made of metal vapor and / or partially ionized metal vapor in each case under the laser beam 74, which is relative to the first and second plates 64, 65 in Feed direction 78 is moved.
  • a through-weld 71 or a weld-in 72 (FIG. 8) of the weld seam 70 is formed.
  • the width B (FIG. 8) of the weld seam 70 essentially corresponds to the diameter of the laser beam 74 or the focal spot.
  • the weld seam 70 is designed to be completely continuous and fluid-tight at edge regions near the long and broad sides of the bipolar plate 10 in order to seal the gap 79 with coolant, so that the coolant cannot flow to the outside.
  • Transverse distribution channels 94 are formed in the bipolar plate 10 between the first and second plates 64, 65 for conducting the coolant from the supply channel 46 for coolant into the channel structure 29 and from the channel structure 29 into the discharge channel 47 for coolant.
  • This weld seam 70 thus also functions as a seal for sealing the channels 14 for coolant to the outside outside the channels 14.
  • the weld seams 70 as a seal for the coolant to the outside are shown in a very simplified manner as continuous straight lines.
  • further weld seams 70 formed in sections can be produced on the contact areas 68, which have no sealing function for the coolant into the environment or to the outside and only serve to provide a material connection between the two plates 64, 65 and optionally in addition to sealing between two channels 14 act for coolant.
  • the first plate 64 and the second plate 65 made of stainless steel are first made available.
  • the first and second plates 64, 65 have a thickness of approximately 70 ⁇ m.
  • a horizontal and flat support plate 80 made of steel has an elastic sealing layer 81 made of rubber on the top.
  • this elastic sealing layer 81 Several recesses are formed, which each form partial vacuum chambers 83 after the first plate 64 has been placed on the elastic sealing layer 81.
  • a vacuum is generated in the partial vacuum chambers 83 using a vacuum pump (not shown).
  • a suction channel 88 is formed in the support plate 80.
  • the suction channel 88 is fluidly connected to all partial vacuum chambers 83 and the partial vacuum chambers 83 form a total vacuum chamber 82.
  • the negative pressure in the vacuum chamber 82 on the one hand between the outside 67 of the first plate 64 and the top of the support plate 80 is low and is in the range of approximately 800 mbar, ie the difference between the negative pressure and the ambient pressure is approximately 200 mbar. Due to this negative pressure in the vacuum chamber 82, the first plate 64 rests on the top of the support plate 80 with an additional process pressure force. The outside 67 of the first plate 64 thus rests on the support plate 80 with a compressive force formed from the sum of the additional process pressure force and the gravity of the first plate 64.
  • the second plate 65 is then placed on the first plate 64 in a precisely positioned position.
  • a sealant 84 is arranged on the outer edge 87 of the two plates 64, 65 lying one on top of the other, namely a multi-part sealing frame 85 with an inside sealing ring made of rubber and an outside metal frame (not shown).
  • all fluid openings 41, apart from the discharge channel 47 for coolant, are sealed with a process seal 86 as a further sealant 84.
  • the process seals 86 are shown in dashed lines in FIG.
  • a large negative pressure is then generated at the discharge channel 47 for coolant, which is formed by two aligned fluid openings 41 in the first and second plates 64, 65 on the sealing plate 39, using a vacuum pump (not shown).
  • the vacuum pump is connected to a vacuum hose (not shown) and the vacuum hose is in fluid-conducting connection to the underside Outside 67 of the first plate 64 brought.
  • the outside 67 as the top of the second plate 65 is closed in a fluid-tight manner with a sealing agent. Since the outer edge 87 and the remaining fluid openings 41 are sealed, a strong negative pressure of approximately 400 mbar is generated in the intermediate space 79, essentially formed by the channels 14 for coolant.
  • the pressure difference between the ambient pressure and the negative pressure in the intermediate space 79 as a negative pressure chamber 104 is therefore approximately 600 mbar.
  • the ambient pressure of the air thus applies a substantially constant contact force to the outside 67 of the second plate 65.
  • This contact force is essentially constant per unit area, so that the outside 67 of the second plate 65 is advantageously subjected to a constant pressure.
  • the negative pressure in the vacuum chamber 82 is smaller than in the gap 79, so that a smaller contact force per unit area acts on the lower outside 67 of the first plate 64 than on the upper outside 67 of the second plate 65 and the difference from this is used as the pressure force of the first plate 64 is applied to the support plate 80 without taking gravity into account.
  • the contact forces are therefore compressive forces.
  • the inner sides 66 of the first and second plates 64, 65 lie on one another with additional pressure forces and due to the magnitude of these additional pressure forces, a technical zero gap of less than 20 pm essentially occurs at the contact areas 68.
  • the weld seams 70 are then produced with the laser 73.
  • the intermediate space 79 is flooded with a protective gas, in particular nitrogen or a noble gas, and preferably the protective gas is constantly passed through the intermediate space 79 even during the generation and maintenance of the negative pressure.
  • a protective gas in particular nitrogen or a noble gas
  • the protective gas is constantly passed through the intermediate space 79 even during the generation and maintenance of the negative pressure.
  • This is carried out by, for example, introducing a small amount of protective gas through the supply channel 46 at the discharge channel 47 for coolant during suction with the vacuum pump. Since sealing the outer edge 87 and the remaining fluid openings 41 cannot technically be achieved in a completely leak-proof manner, it is necessary to constantly introduce protective gas into the intermediate space 79 while maintaining the negative pressure, so that protective gas is constantly present in the intermediate space 79 during welding.
  • Protective gas is constantly supplied on the outside at the focal spot on the outside 67 of the second plate 65, ie the point where the laser beam 74 hits. This means that the weld seam 70 can be produced completely with a blanket of protective gas.
  • weld seams 70 are produced using laser welding all around the fluid openings 41 in order to avoid an uncontrolled flow of the process fluids into the gap 79 between the first and second plates 64, 65.
  • the process fluids are introduced into the fluid openings 41 via connecting channels 89 or are discharged from the fluid openings 41.
  • the weld seams 70 on the fluid openings 41 are not formed on the connecting channels 89.
  • the discharge channel 43 for oxidizing agents is shown.
  • the oxidizing agent is passed through the channels 13 on an outside 67 of the first plate 64 in the area of the membrane electrode arrangement 5.
  • the connecting channels 89 are formed between the first and second plates 64, 65.
  • a wave-shaped connecting channel geometry 102 with forming, for example embossing has been incorporated into the first plate 64 before stacking the second plate 65 on the first plate 64 and before producing the weld seam 70.
  • the connecting channels 89 have a first end 90, which opens into the fluid opening 41 and a second end 91, which opens directly into the transverse distribution channels 89 and indirectly into the channels 12, 13 and 14 for the process fluids.
  • the connecting channels 89 open at the additional fluid opening 92 as the first end 90 into the fluid openings 41.
  • the connecting channels 89 open at the connecting opening 93 as the second end 91 directly into the transverse distribution channels 89 and indirectly into the channels 12, 13 and 14 for the process fluids.
  • Several connection openings 93 can also be formed on each connection channel 89. 11, the oxidizing agent thus flows from the transverse distribution channels 94 through the connecting openings 93 into the connecting channels 89 and from the connecting channels 89 through the additional fluid openings 92 into the discharge channel 43 as the fluid opening 41.
  • the oxidizing agent flows in the opposite direction through the connecting channels 89, ie flows from the supply channel 42 through the additional fluid openings 92 into the connecting channels 89 and from the connecting channels 89 through the connecting openings 93 directly into the transverse distribution channels 94 and indirectly into the channels 13 for the oxidizing agent.
  • the channels 13 for oxidizing agent and the transverse distribution channels 94 for oxidizing agent are formed on the outer sides 67 of the first plate 64.
  • the conduction of the process fluid fuel through the fluid openings 41 as a supply channel 44 and discharge channel 45 for fuel through the connecting channels 89, the transverse distribution channels 94 and channels 12 for fuel is carried out analogously to the process fluid oxidant.
  • the transverse distribution channels 94 and the channels 12 for fuel are formed on the outside 67 of the second plate 65.
  • the transverse distribution channels 94 and channels 14 for coolant are designed analogously to the process fluid oxidant, but the transverse distribution channels 94 and channels 14 for coolant are delimited by the insides 66 of the first and second plates 64, 65, i.e. H. are formed between the first and second plates 64, 65.
  • connection openings 93 show a first exemplary embodiment for the design of the connection openings 93 as slot-shaped connection openings 100.
  • the connection openings 93 are incorporated into the second plate 65 with the laser beam 74 from the laser 73.
  • This incorporation of the connecting openings 93 takes place after the production of the welded connection 69 with the weld seams 70, in particular after the production of all weld seams 70, between the first and second plates 64, 65 and thus also after the application of the contact forces between the first and second plates 64, 65 carried out by means of negative pressure in the negative pressure chamber 104 as the intermediate space 79.
  • the laser beam 74 melts and cuts through the second plate 65 at a remelt geometry 99 and this is carried out in such a way that the slot-shaped connection openings 100 are formed.
  • the material of the second plate 65 melted at the slot-shaped connection openings 100 is completely redistributed and melted at the edge or boundary region of the second plate 65, which delimits the slot-shaped connection openings 100 as the connection openings 93, so that a cross-section is essentially circular or part-circular Melting lip 101 (Fig. 16) is formed all around the connection openings 93.
  • This has the advantage that in the intermediate space 73, ie in particular in the connecting channel 89, no material of the second plate 65 that has melted off at the connecting openings 93 is deposited, for example in the form of material splashes.
  • the parameters of the laser beam 74 and thus also of the focal spot of the laser beam 74 on the outside 67 of the first plate 64 are selected accordingly: a power of 500 W with a spot size of 300 pm, a relative speed v of 500 mm/s between the first plate 64 and the laser beam 74 during the machining of the connection opening 93 and a thickness of the first plate 64 in the area of the connection opening of 75 pm.
  • the position of the laser beam 74 on the first plate 64 is optically recorded using a laser scanner of the laser system.
  • the laser beam 74 can be determined exactly from the data of the geometry of the first and/or second plate 64, 65 and the result of the optical detection the correct positions for incorporating the connection openings 93 must be directed. To the extent that the width of the slot-shaped connecting openings 100 is larger than the spot size of the laser beam 74, it is guided several times in the longitudinal direction along the slot-shaped connecting openings 100 for multiple melting, cutting and rearranging of the material of the first plate 64.
  • connection openings 93 as slot-shaped connection openings 100. Essentially only the differences from the first exemplary embodiment according to FIGS. 15 and 16 are described below.
  • the Slot-shaped connection openings 93 are not aligned horizontally, but approximately vertically, ie approximately at a right angle to the first exemplary embodiment.
  • FIGS. 18 and 19 A third exemplary embodiment for the formation of the connecting openings 93 is shown in FIGS. 18 and 19. Essentially only the differences from the first exemplary embodiment according to FIGS. 15 and 16 are described below.
  • the connection openings 93 are essentially circular.
  • connection opening 93 is essentially flat-shaped.
  • the material of the first plate 64 is not completely remelted during the incorporation with the laser beam 74, but is merely cut and remelted along a completely circumferential recess geometry 97 as remelting geometry 99 and a partial area 98 of the second plate 65 is removed from the connection opening 93.
  • connection opening 93 is essentially rectangular in shape.
  • the material of the second plate 65 is not completely remelted during the incorporation with the laser beam 74, but rather is only cut and remelted along a U-shaped, not completely circumferential flap geometry 95 as a remelting geometry 99 and a partial area as a flap 96 of the second plate 65 is remelted a pivot axis 103 is pivoted outwards as a non-severed section.
  • connection openings 93 on the connection channels 89 are incorporated as a bipolar plate 10 with the laser 73 after the material connection between the first and second plates 64, 65 has been produced.
  • connection openings 93 can be incorporated very precisely and with little effort and low costs because a laser system for generating the laser beam 73 for producing the weld seams 70 is already available. A complex mechanical punching of the connecting openings 93 with a cost-intensive punching machine to provide the second plates 65 is therefore not necessary. The costs for the production of the bipolar plates 10 can thus be advantageously reduced with a higher accuracy of the geometry of the connection openings 93.
  • very small connection openings 93 can also be incorporated, which are not produced with mechanical punching processes for reasons of manufacturing accuracy and material technology reasons can. A large number of connection openings 93 can therefore be formed in each connection channel 89. Changes to the geometry of the connection openings 93 can be achieved inexpensively and with little effort only by changing the software and/or reprogramming the laser system so that the laser beam 74 performs a different movement path on the second plate 65.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10, 51) für eine elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte 64) und einer zweiten Platte (65), Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander, so dass Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufeinander liegen, Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte (64, 65) mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer (104) im Vergleich zu einem Umgebungsdruck, so dass resultierend aus den von dem Umgebungsdruck aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich (68) aufeinander liegen, Herstellen wenigstens einer Schweißverbindung (69) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65) mit einem Laserstrahl (74), Ausbilden von Verbindungskanälen (89) für Prozessfluide an der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65), die in Fluidöffnungen (41) an den Bipolarplatten (10, 51) und in Kanäle (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) münden, Einarbeiten von Verbindungsöffnungen (93) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65), welche die Verbindungskanäle (89) mit den Kanälen (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) verbinden, wobei die Verbindungsöffnungen (93) mit einem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können.
Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
Für die Herstellung und Montage von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, ist es notwendig, die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt anzuordnen. Die scheibenförmigen Komponenten der Brennstoffzellen sind Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten. Wesentlicher Bestandteil des Stapels sind die elektrisch leitfähigen Bipolarplatten. Diese fungieren als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase sowie von flüssigem oder gasförmigem Kühlmittel durch Strömungsräume, insbesondere Kanäle bzw. Kanalstrukturen. Die Bipolarplatten liegen an Kontaktflächen an den Gasdiffusionsschichten auf.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei oder drei Platten aus Edelstahl ausgebildet. Bei der Herstellung der Bipolarplatten werden eine erste und zweite Platte aufeinandergelegt und anschließend werden die Platten miteinander verscheißt, so dass Schweißnähte ausgebildet werden. Die Schweißnähte haben nicht nur die Funktion, die Platten stoffschlüssig und elektrisch leitend miteinander zu verbinden, sondern dienen auch zum fluiddichten Abdichten von Kanälen für Kühlmittel, die zwischen je zwei Platten ausgebildet sind. Für je eine Bipolarplatte werden eine entsprechend gewellt geformte erste und zweite Platte aufeinandergelegt und gestapelt, so dass die Innenseiten der ersten und zweiten Platten an streifenförmigen Kontaktbereichen aufeinander liegen und zwischen den Innenseiten ist an den streifenförmigen Kontaktbereichen je ein Spalt mit einer Dicke vorhanden. Für eine zuverlässige und fluiddichte Ausbildung der Schweißnäht ist es notwendig, dass die Dicke der Spalten klein ist, d. h. die Spalten einen technischen Nullspalt kleiner als 20 pm ausbilden. Außerdem sind die ersten und zweiten Platten in einer korrekten lateralen Relativposition als Soll-Position aufeinander zu stapeln, damit die Schweißverbindungen ausschließlich an den streifenförmigen Kontaktbereichen als Fügebereiche hergestellt werden.
Bei großen Dicken der Spalten können die Schweißnähte nicht mehr ohne Unterbrechungen zwischen den ersten und zweiten Platten hergestellt werden, so dass Fluide horizontal in Richtung der Ebene der ersten und zweiten Platten an Undichtigkeiten zwischen der ersten und zweiten Platte durchtreten. Zur Vermeidung von großen Spalten an den Kontaktbereichen, d. h. für die Ausbildung von technischen Nullspalten, werden mit mechanischen Niederhaltvorrichtungen während des Scheißvorganges Kontaktkräfte auf die erste und zweite Platte aufgebracht, so dass resultierend aus den aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich aufeinander liegen. Aufgrund der Zusatzdruckkraft wird der Nullspalt an den Kontaktbereichen ausgebildet. Die stab- oder zangenförmigen mechanischen Niederhaltvorrichtungen behindern jedoch die Ausbildung der Schweißnähte mittels Laserschweißen, weil der Laserstrahl von den mechanischen Niederhaltvorrichtungen blockiert ist, so dass während des Laserschweißens ständig Niederhaltvorrichtungen gelöst, d. h. deaktiviert, und andere auf die Platten aufgelegt, d. h. aktiviert, werden müssen. Es somit ein zeitaufwendiger ständiger Wechsel der Niederhaltvorrichtungen, z. B. von Greifzangen, während des Schweißens notwendig.
Darüber hinaus ist es bereits bekannt, mit einem Unterdrück in einer Unterdruckkammer die Kontaktkräfte von dem Umgebungsdruck auf die erste und zweite Platte aufzubringen, so dass kein ständiger Wechsel der stab- oder zangenförmigen Niederhaltvorrichtungen notwendig ist. Die Unterdruckkammer kann beispielsweise von einem Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet sein oder die Unterdruckkammer ist von einer Unterseite einer scheibenförmigen mechanischen Niederhaltvorrichtung und einer Oberseite einer Auflageplatte für die erste untere Platte begrenzt. Auf die Oberseite der mechanischen Niederhaltvorrichtung wirkt der größer Umgebungsdruck und an der mechanischen Niederhaltvorrichtung ist ein Kontaktelement ausgebildet und mit dem Kontaktelement wird die Kontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht. Die scheibenförmige mechanische Niederhaltvorrichtung ist ringförmig mit einem umlaufenden Kontaktvorsprung als Kontaktelement ausgebildet und behindert aufgrund ihrer Geometrie nicht die Führung des Laserstrahls.
In der Bipolarplatte sind Verbindungskanäle zur fluidleitenden Verbindung von Fluidöffnungen als Zufuhr- und Abfuhrkanäle für die Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel mit Querverteilungskanälen und/oder Kanälen für die Prozessfluide ausgebildet. Die Verbindungskanäle münden an Verbindungsöffnungen in die Querverteilungskanäle und/oder in die Kanäle für die Prozessfluide. Für die Herstellung der Bipolarplatten werden die Verbindungsöffnungen mit Stanzmaschinen in die erste und/oder zweite Platte mechanisch eingestanzt als ein zur Verfügung stellen der ersten und/oder zweiten Platte vor dem Stapeln der ersten und zweiten Plate aufeinander und dem Herstellen der Schweißverbindung zwischen der ersten und zweiten Platte. Dieses mechanische Einarbeiten der Verbindungsöffnungen ist in nachteiliger Weise teuer bei einer geringen Fertigungsgenauigkeit. Darüber hinaus sind für Änderungen an der Geometrie der Verbindungsöffnungen ein kostenintensiver Austausch der Stanzwerkzeuge notwendig.
Die DE 102021 206 581 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte und einer zweiten Platte, Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander, so dass Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufeinander liegen und ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet wird, Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte, so dass resultierend aus den aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich aufeinander liegen, Herstellen einer Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte, wobei der Zwischenraum als Unterdruckkammer mit einem Unterdrück im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt wird, so dass die auf die erste und/oder zweite Platte aufgebrachten Kontaktkräfte von dem Umgebungsdruck auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht werden. Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte und einer zweiten Platte, Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander, so dass Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufeinander liegen, Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer im Vergleich zu einem Umgebungsdruck, so dass resultierend aus den von dem Umgebungsdruck aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich aufeinander liegen, Herstellen wenigstens einer Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte mit einem Laserstrahl, Ausbilden von Verbindungskanälen für Prozessfluide an der ersten und/oder zweiten Platte, die in Fluidöffnungen an den Bipolarplatten und in Kanäle für Prozessfluide an den Bipolarplatten münden, Einarbeiten von Verbindungsöffnungen in die erste und/oder zweite Platte, welche die Verbindungskanäle mit den Kanälen für Prozessfluide an den Bipolarplatten verbinden, wobei die Verbindungsöffnungen mit einem Laserstrahl in die erste und/oder zweite Platte eingearbeitet werden. Die Verbindungskanäle sind vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Platte als Zwischenraum ausgebildet und/oder an einer Außenseite der ersten Platte und/oder an einer Außenseite der zweiten Platte. Vorzugsweise sind die Prozessfluide Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel und/oder der Elektrolyt für die Anode und/oder der Elektrolyt für die Kathode.
In einer weiteren Ausführungsform wird zuerst das Herstellen der Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte ausgeführt und anschließend werden die Verbindungsöffnungen mit dem Laserstrahl in die erste und/oder zweite Platte eingearbeitet. Vorzugsweise ist während des Einarbeitens der Verbindungsöffnungen mit dem Laserstrahl die Unterdruckkammer nicht mit einem Unterdrück beaufschlagt, weil die erste und zweite Platte während des Einarbeitens der Verbindungsöffnungen mit der Schweißverbindung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist während des Einarbeitens der Verbindungsöffnungen mit dem Laserstrahl die Unterdruckkammer mit einem Unterdrück beaufschlagt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird zuerst das Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte mittels des Unterdruckes in der Unterdruckkammer im Vergleich zu dem Umgebungsdruck ausgeführt und anschließend wird simultan hierzu das Herstellen der Schweißverbindung zwischen der ersten und der zweiten Platte ausgeführt.
In einer zusätzlichen Variante werden in die erste und/oder zweite Platte mittels Verformen, insbesondere Prägen, Verbindungskanalgeometrien eingearbeitet, so dass nach dem Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander aufgrund der Verbindungskanalgeometrien die Verbindungskanäle als Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet werden. Die Verbindungskanalgeometrien werden beispielsweise mit Pressen eingearbeitet als ein Verfahrensschritt zum Verfügung stellen der ersten und/oder zweiten Platte.
Vorzugsweise wird das Einarbeiten der Verbindungskanalgeometrien in die erste und/oder zweite Platte vor dem Stapeln der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die korrekte Position eines Brennfleckes des von einem Lasersystem erzeugten Laserstrahls zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen auf der ersten und/oder zweiten Platte optisch erfasst insbesondere mit einem Laserscanner und/oder mit einer Kamera und einem Bildverarbeitungssystem. Auf die optisch bestimmte korrekte Position des Brennfleckes wird vorzugsweise der Laserstrahl gerichtet. Für die Bestimmung der optisch korrekten Position des Brennfleckes werden zusätzlich die Daten zur Geometrie der ersten und/oder zweiten Platte genutzt. In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die wenigstens eine Verbindungsöffnung für je einen Verbindungskanal mit dem Laserstrahl in die erste und/oder zweite Platte eingearbeitet indem die erste und/oder zweite Platte mit dem Laserstrahl an wenigstens einer Klappengeometrie durchtrennt wird und anschließend wenigstens ein Teilbereich der ersten und/oder zweiten Platte als die wenigstens eine Klappe bewegt, insbesondere verschwenkt, wird.
Zweckmäßig wird die Bewegung der wenigstens einen Klappe von einer Eigenspannung oder Vorspannung der ersten und/oder zweiten Platte verursacht.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die Eigenspannung oder Vorspannung der ersten und/oder zweiten Platte mit einem Prägeprozess in die erste und/oder zweite Platte eingebracht, insbesondere vor dem Stapeln der ersten und zweiten Platte.
In einer weiteren Variante wird die wenigstens eine Verbindungsöffnung für je einen Verbindungskanal mit dem Laserstrahl in die erste und/oder zweite Platte eingearbeitet indem die erste und/oder zweite Platte mit dem Laserstrahl an wenigstens einer Aussparungsgeometrie durchtrennt wird und anschließend wenigstens ein Teilbereich der ersten und/oder zweiten Platte von der übrigen ersten und/oder zweiten Platte entfernt wird.
Insbesondere wird die wenigstens eine Verbindungsöffnung für je einen Verbindungskanal mit dem Laserstrahl in die erste und/oder zweite Platte eingearbeitet indem die erste und/oder zweite Platte mit dem Laserstrahl an wenigstens einer Umschmelzungsgeometrie durchtrennt wird und das während des Durchtrennens geschmolzene Material der ersten und/oder zweiten Platte an dem Rand der ersten und/oder zweiten Platte, welche die wenigstens einen Verbindungsöffnung begrenzt, als Schmelzlippe wenigstens teilweise, vorzugsweise zu wenigstens 90%, 95%, 98% oder 99%, insbesondere vollständig, angelagert wird. Bei der im Wesentlichen vollständigen Anlagerung oder Umlagerung treten an der übrigen Bipolarplatte keine Ablagerungen, beispielsweise als Spritzer, des geschmolzenen Materials außerhalb der Schmelzlippe auf. In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird die wenigstens eine Verbindungsöffnung schlitzförmig und/oder kreisförmig und/oder T-förmig ausgebildet.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen eine Leistung zwischen 200 W und 800 W, insbesondere zwischen 400 W und 600 W, auf und/oder der Laserstrahl zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen einen Durchmesser zwischen 100 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 200 pm und 400 pm, auf und/oder eine Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten und/oder zweiten Platte und dem Brennfleck des Laserstrahls zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen zwischen 300 mm/s und 700 mm/s, insbesondere zwischen 400 mm/s und 600 mm/s, beträgt und/oder die Dicke der ersten und/oder zweiten Platte an dem Brennfleck des Laserstrahles zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen zwischen 25 pm und 125 pm, insbesondere zwischen 50 pm und 100 pm, beträgt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Bipolarplatten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
Erfindungsgemäße Elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei an den Bipolarplatten Verbindungskanäle für Prozessfluide zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet sind und die Verbindungskanäle in Fluidöffnungen an den Bipolarplatten und in Kanäle für Prozessfluide an den Bipolarplatten münden und in den ersten und/oder zweiten Platten der Bipolarplatten Verbindungsöffnungen ausgebildet sind, welche die Verbindungskanäle mit den Kanälen für Prozessfluide an den Bipolarplatten verbinden, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder an den ersten und/oder zweiten Platten die Verbindungsöffnungen von Schmelzlippen begrenzt sind, insbesondere die Schmelzlippen eine größere Dicke aufweisen als die erste und/oder zweite Platte außerhalb der Schmelzlippen und/oder die Schmelzlippen aus abgeschmolzenem Material der ersten und/oder zweiten Platte ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Dicke der Schmelzlippen um wenigstens 10%, 20% oder 30% größer als die Dicke der ersten und/oder zweiten Platte außerhalb der Schmelzlippe an den Schmelzlippen oder in der Nähe der Schmelzlippen.
In einer weiteren Variante weisen die Verbindungskanäle je ein erstes Ende auf gebildet von wenigstens einer Zusatzfluidöffnung, welche in die Fluidöffnung mündet und je ein zweites Ende gebildet von wenigstens einer Verbindungsöffnung, welche in die Querverteilungskanäle und/oder in die Kanäle für die Prozessfluide mündet bzw. münden.
In einer weiteren Variante wird ein Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte ausgebildet, insbesondere aufgrund eines Stapelns der ersten Platte und der zweiten Platte aufeinander, so dass Innenseiten der ersten und zweiten Platte aufeinander liegen.
In einer weiteren Ausführungsform sind an je einem Verbindungskanal wenigstens 2, 3, 5, 10 oder 10 Verbindungsöffnungen ausgebildet.
In einer weiteren Variante werden die Kontaktkräfte mit wenigstens einer mechanischen Niederhaltvorrichtung auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer und mittels eines Umgebungsdruckes, welche mittelbar und/oder mittelbar auf die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung wirken. Aufgrund der Geometrie der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung ist während der Herstellung der Schweißverbindung kein Wechseln der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung notwendig, weil die wenigstens eine Niederhaltvorrichtung im Wesentlichen zweidimensional und/oder scheibenförmig ausgebildet ist, so dass die Ausdehnung der wenigstens einen Niederhaltvorrichtung in Richtung einer von der wenigstens einen mechanische Niederhaltvorrichtung aufgespannten fiktiven Ebene wesentlich größer ist, insbesondere wenigstens um das 2-, 5-, 10-, oder 20-Fache größer ist, als senkrecht zu der fiktiven Ebene. Vorzugsweise ist die wenigstens eine mechanische Niederhaltvorrichtung und/oder eine von der wenigstens einen mechanische Niederhaltvorrichtung aufgespannte fiktive Ebene während der Herstellung der Schweißverbindung und/oder dem Einarbeiten der Verbindungsöffnungen im Wesentlichen parallel, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, zu der ersten und/oder zweiten Platte und/oder zu einer fiktiven Ebene aufgespannt von der ersten und/oder zweiten Platte ausgerichtet. Vorzugsweise ist die Kontaktkraft während der Herstellung der Schweißverbindung im Wesentlichen konstant, vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Unterdruckkammer von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung begrenzt, so dass aufgrund des Unterdruckes in der Unterdruckkammer und des Umgebungsdruckes auf die Niederhaltvorrichtung mittelbar und/oder unmittelbar eine Unterdruckkraft aufgebracht wird und diese Unterdruckraft von der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, als die wenigstens eine Kontaktkraft auf die erste und/oder zweite Platte übertragen wird.
In einer zusätzlichen Variante ist die Unterdruckkammer von einer mit Unterdrück beaufschlagten Oberseite der Auflageplatte und wenigstens einer mit Unterdrück beaufschlagten Unterseite der wenigstens einen mechanischen Niederhaltvorrichtung begrenzt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte als Unterdruckkammer mit einem Unterdrück im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt wird, so dass die auf die erste und/oder zweite Platte aufgebrachten Kontaktkräfte von dem Umgebungsdruck auf die erste und/oder zweite Platte aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Offenbarung der DE 10 2021 206 581 A1 in diese Schutzrechtsanmeldung aufgenommen.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist der Unterdrück in der Unterdruckkammer um 100 mbar, 300 mbar oder 500 mbar kleiner als der Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck beträgt im Allgemeinen ungefähr 1000 mbar, sodass bei einem Unterdrück in dem Zwischenraum von 300 mbar eine Druckdifferenz zwischen dem Zwischenraum und der Umgebung von 700 mbar auftritt. Auf die Außenseiten der ersten und zweiten Platte wirkt somit der Umgebungsdruck von 1000 mbar und auf die Innenseiten der ersten und zweiten Platte wirkt damit der Unterdrück von 300 mbar bei der Ausbildung der Unterdruckkammer als dem Zwischenraum, sodass aufgrund dieser Druckdifferenz die Druckkräfte an den Außenseiten größer sind als an den Innenseiten und damit als resultierende Gesamtkraft hieraus die erste und zweite Platte mit der Zusatzdruckkraft aufeinanderliegen ohne Berücksichtigung der Schwerkraft.
In einer ergänzenden Variante wird die erste Platte zuerst auf eine Auflageplatte aufgelegt und anschließend wird die zweite Platte auf die erste Platte aufgelegt.
Vorzugsweise wird der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte bezüglich der Umgebung mit wenigstens einem Dichtmittel abgedichtet, insbesondere nach dem Auflegen der zweiten Platte auf die erste Platte.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte Kanäle für Kühlmittel. Vorzugsweise umfasst der Zwischenraum zwischen der ersten und zweiten Platte technische Nullspalte an dem Kontaktbereich.
In einer ergänzenden Variante wird die Schweißverbindung mittels Laserschweißen hergestellt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird während der Herstellung der
Schweißverbindung, insbesondere kontinuierlich, die Unterdruckkammer mit einem Unterdrück im Vergleich zu einem Umgebungsdruck beaufschlagt. Vorzugsweise wird der Unterdrück in der Unterdruckkammer kontinuierlich und im Wesentlichen konstant während der Herstellung der gesamten Schweißverbindung aufrechterhalten. Im Wesentlichen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird während des Auftreffens des Laserstrahls auf einen Brennfleck an der Außenseite der ersten Platte zu dem Brennfleck ein Schutzgas geleitet, insbesondere mittels einer beweglichen Düse.
Vorzugsweise wird von der wenigstens einen mit Laserstrahlschweißen hergestellten Schweißnaht eine Dichtung zur Abdichtung des wenigstens einen Kanales für Kühlmittel zwischen der ersten und zweiten Platte nach außen ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung werden wenigstens 90% der Bipolarplatten, insbesondere sämtliche Bipolarplatten, der Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung gestellt indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Variante werden die erste und zweite Platte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Aluminium, und/oder Kunststoff und/oder Kompositwerkstoff zur Verfügung gestellt.
In einer ergänzenden Variante werden die erste und zweite Platte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, wellenförmig und/oder scheibenförmig und/oder schichtförmig zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Bipolarplatte aus zwei oder drei Platten ausgebildet und die zwei oder drei Platten werden mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren mit der Schweißverbindung miteinander verbunden.
In einer ergänzenden Variante wird die wenigstens eine Schweißverbindung der Bipolarplatte, insbesondere ausschließlich, an dem Kontaktbereich hergestellt. In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens 50, 100, 200 oder 400 gestapelte elektrochemische Zellen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit als reversible Brennstoffzelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten. Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC- Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, Fig. 5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
Fig. 7 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle und Elektrolysezelle im Bereich einer Schweißnaht,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Bipolarplatte umfassend zwei Platten, die mit einer Schweißnaht als Durchschweißung miteinander verbunden sind sowie ferner eine Einschweißung ausgebildet ist,
Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine Bipolarplatte umfassend zwei Platten, die mit einer Schweißnaht als Einschweißung miteinander verbunden sind während des Schweißvorganges mit einem Laserstrahl,
Fig. 10 einen Längsschnitt durch die zwei Platten während des Aufliegens auf einer Auflagerplatte während des Schweißvorganges,
Fig. 11 einen horizontalen Schnitt durch die Bipolarplatte im Bereich einer Fluidöffnung als Abfuhrkanal für Oxidationsmittel,
Fig. 12 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 11 ,
Fig. 13 einen vertikalen Querschnitt durch die Bipolarplatte im Bereich von Verbindungskanälen,
Fig. 14 einen vertikalen Längsschnitt durch die Bipolarplatte im Bereich eines Verbindungskanales,
Fig. 15 eine perspektivische Teilansicht der Bipolarplatte an
Verbindungsöffnungen zur Durchleitung von Prozessfluiden in oder aus dem Verbindungskanal in einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 16 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 15 einer zweiten Platte der Bipolarplatte mit den Verbindungsöffnungen,
Fig. 17 eine perspektivische Teilansicht der Bipolarplatte an Verbindungsöffnungen zur Durchleitung von Prozessfluiden in oder aus dem Verbindungskanal in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 18 eine perspektivische Teilansicht der Bipolarplatte an Verbindungsöffnungen zur Durchleitung von Prozessfluiden in oder aus dem Verbindungskanal in einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 19 einen Schnitt B-B gemäß Fig. 18 einer zweiten Platte der Bipolarplatte mit den Verbindungsöffnungen,
Fig. 20 eine perspektivische Teilansicht der Bipolarplatte an Verbindungsöffnungen zur Durchleitung von Prozessfluiden in oder aus dem Verbindungskanal in einem vierten Ausführungsbeispiel und
Fig. 21 eine perspektivische Teilansicht der Bipolarplatte an Verbindungsöffnungen zur Durchleitung von Prozessfluiden in oder aus dem Verbindungskanal in einem fünften Ausführungsbeispiel.
In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:
Kathode: 02 + 4 H+ + 4 e- -» 2 H20
Anode:
2 H2 -» 4 H+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 -» 2 H2O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1 ,23 V. Diese theoretische Spannung von 1 ,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1 ,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1 ,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen- Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaseroder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem Ionomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem Ionomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 (Fig. 2 und 3) wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das Ionomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 bzw. Elektroden 7, 8 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (Fig. 4 und 5). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31 , 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 oder ein Turboverdichter ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der
Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (Fig. 6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In Fig. 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in Fig. 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47. Die Bipolarplatte 10 weist eine Länge 61 und eine Breite 62 auf. Der Kanal 14 bzw. die Kanäle 14 für Kühlmittel als Kanalstruktur 29 weisen eine Länge 63 auf und die Breite der Kanalstruktur 29 entspricht im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 20% oder 10%, der Breite 62 der Bipolarplatte 10.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem
Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H30+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
Kathode:
4 H3O+ + 4 e- -» 2 H2 + 4 H2O
Anode:
6 H2O — » O2 + 4 H3O+ + 4 e'
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H2O -» 2 H2 + O2 Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1 , so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In Fig. 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21 , sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1 , welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege- Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60. An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
Die Bipolarplatten 10 werden mit Laserstahlschweißen aus der ersten Platte 64 und der zweite Platte 65 als Monopolarplatten 64, 65 hergestellt. Hierzu wird für je eine Bipolarplatte 10 eine entsprechend gewellt geformte erste und zweite Platte 64, 65 aufeinandergelegt und gestapelt, so dass die Innenseiten 66 der ersten und zweiten Platten 64, 65 an streifenförmigen Kontaktbereichen 68 als Fügestoß aufeinander liegen. Die fiktiven Ebenen 59, aufgespannt von der scheibenförmigen ersten und zweiten Platte 64, 65, sind anschließend im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die ersten und zweiten Platten 64, 65 aus Edelstahl weisen gegenüberliegend zu den Innenseiten 66 je eine Außenseite 67 auf. Nach dem Anordnen der zwei Platten 64, 65 als Ausgangsplatten 64, 65 für die Herstellung der Bipolarplatten 10 bilden sich außerhalb der streifenförmigen Kontaktbereiche 68 zwischen den Innenseiten 66 der ersten und zweiten Platte 64, 65 streifenförmige Kanäle 14 für Kühlmittel aus, welche einen Zwischenraum 79 ausbilden. Die Geometrie der zur Verfügung gestellten ersten und zweiten Platte 64, 65 mit einer großen Anzahl an Wellen bedingt, dass eine große Anzahl an Kanälen 14 zwischen den Kontaktbereichen 68 ausgebildet sind.
Die erste und zweite Platte 64, 65 als Monopolarplatten 64, 65 werden mit Laserstrahlschweißen zur Bipolarplatte 10 stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass eine Schweißverbindung 69 als große Anzahl an Schweißnähten 70 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 hergestellt werden. Ein Lasersystem umfasst einen Laser 73, der einen Laserstrahl 74 emittiert (Fig. 9). Der Laser 73 emittiert einen Laserstrahl 74 als gebündelte elektromagnetische Welle. Der Laserstrahl 74 wird mit einem optischen System 75 auf die Außenseite 67 der zweite Platte 65 emittiert, so dass der Laserstrahl 74 an einem Brennfleck mit einem Durchmesser von ungefähr 100 pm auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 auftrifft. Eine nicht dargestellte Bewegungseinheit bewegt entweder den Laserstrahl 74 über die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 und/oder die erste und zweiten Platte 64, 65 unter dem Laserstrahl 74, so dass sich eine relative Vorschubrichtung 78 des Laserstrahles 74 zu der ersten und zweiten Platte 64, 65 ergibt. Der Laserstrahl 74 wird von der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 absorbiert, so dass während des Schweißvorganges die Temperatur des Edelstahls der ersten und zweiten Platte 64, 65 über der Schmelztemperatur ansteigt und sich dadurch eine flüssige Schmelze 77 während des Schweißvorganges bildet, die anschließend wieder abkühlt und erstarrt zur Schweißverbindung 69 als der Schweißnaht 70. Ferner bildet sich optional ein Keyhole 76 als Dampfkapillare in der flüssigen Schmelze 76 in der Strahlrichtung des Laserstrahls 74 aus, der als ein schlauchförmiger Hohlraum aus Metalldampf und/oder teilionisierten Metalldampf ausgebildet ist jeweils unter dem Laserstrahl 74, der relativ zu der ersten und zweiten Platte 64, 65 in Vorschubrichtung 78 bewegt wird. Je nach der Tiefe des optionalen Keyholes 76 und der flüssigen Schmelze 77 bildet sich eine Durchschweißung 71 oder eine Einschweißung 72 (Fig. 8) der Schweißnaht 70 aus. Die Breite B (Fig. 8) der Schweißnaht 70 entspricht im Wesentlichen dem Durchmesser des Laserstrahls 74 oder des Brennfleckes.
Die Schweißnaht 70 wird an Randbereichen in der Nähe der Längs- und Breitseiten der Bipolarplatte 10 vollständig durchgehend und fluiddicht ausgeführt zur Abdichtung des Zwischenraumes 79 mit Kühlmittel, so dass das Kühlmittel nicht nach außen strömen kann. In der Bipolarplatte 10 sind Querverteilungskanäle 94 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 zur Leitung des Kühlmittels von dem Zufuhrkanal 46 für Kühlmittel in die Kanalstruktur 29 und von der Kanalstruktur 29 in den Abfuhrkanal 47 für Kühlmittel ausgebildet. Diese Schweißnaht 70 fungiert somit auch als Dichtung zur Abdichtung der Kanäle 14 für Kühlmittel nach außen außerhalb der Kanäle 14. In Fig. 6 sind die Schweißnähte 70 als Dichtung für das Kühlmittel nach außen stark vereinfacht als durchgehende Geraden dargestellt. Optional können weitere, abschnittsweise ausgebildete Schweißnähte 70 an den Kontaktbereichen 68 hergestellt werden, die keine Dichtfunktion für das Kühlmittel in die Umgebung bzw. nach außen aufweisen und lediglich der stoffschlüssigen Verbindung der zwei Platten 64, 65 dienen und optional zusätzlich zur Abdichtung zwischen zwei Kanälen 14 für Kühlmittel fungieren.
Für die Herstellung der Bipolarplatte 10 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der ersten Platte 64 und der zweiten Platte 65 aus Edelstahl. Die erste und zweite Platte 64, 65 weist eine Dicke von ungefähr 70 pm auf. Eine horizontale und ebene Auflageplatte 80 aus Stahl weist an der Oberseite eine elastische Dichtschicht 81 aus Gummi auf. In dieser elastischen Dichtschicht 81 sind mehrere Aussparungen ausgebildet, welche nach dem Auflegen der ersten Platte 64 auf die elastische Dichtschicht 81 jeweils Vakuumteilkammern 83 ausbilden. Nach dem Auflegen der ersten Platte 64 auf die elastische Dichtschicht 81 der Auflageplatte 80 wird mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe in den Vakuumteilkammern 83 ein Vakuum erzeugt. Hierzu ist in der Auflageplatte 80 ein Saugkanal 88 ausgebildet. Der Saugkanal 88 ist fluidleitend mit sämtlichen Vakuumteilkammern 83 verbunden und die Vakuumteilkammern 83 bilden insgesamt einen Vakuumkammer 82. Der Unterdrück in der Vakuumkammer 82 einerseits zwischen der Außenseite 67 der ersten Platte 64 und der Oberseite der Auflageplatte 80 ist gering und liegt im Bereich von etwa 800 mbar, d. h. die Differenz zwischen dem Unterdrück und dem Umgebungsdruck beträgt ungefähr 200 mbar. Aufgrund dieses Unterdruckes in der Vakuumkammer 82 liegt die erste Platte 64 mit einer Prozesszusatzdruckkraft auf der Oberseite der Auflageplatte 80 auf. Die Außenseite 67 der ersten Platte 64 liegt somit mit einer Druckkraft gebildet aus der Summe aus der Prozesszusatzdruckkraft und der Schwerkraft der ersten Platte 64 auf der Auflageplatte 80 auf. Dadurch wird eine zuverlässige formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der unteren Außenseite 67 der ersten Platte 64 und der Oberseite der Auflageplatte 80 hergestellt, sodass dadurch die erste Platte 64 exakt bezüglich der Auflageplatte 80 unverschieblich positioniert ist, sodass damit die Schweißnähte 70 exakt hergestellt werden können an den korrekten Positionen.
Anschließend wird die zweite Platte 65 auf die erste Platte 64 exakt positioniert aufgelegt. Darauffolgend wird an den äußeren Rand 87 der beiden aufeinanderliegenden Platten 64,65 ein Dichtmittel 84 angeordnet, nämlich ein mehrteiliger Dichtrahmen 85 mit einem innenseitigen Dichtring aus Gummi und einem außenseitigen Metallrahmen (nicht dargestellt). Ferner werden sämtliche Fluidöffnungen 41 , abgesehen von dem Abführkanal 47 für Kühlmittel, mit einer Prozessdichtung 86 als einem weiteren Dichtmittel 84 abgedichtet. Die Prozessdichtungen 86 sind in Fig. 6 strichliert dargestellt. Anschließend wird an dem Abführkanal 47 für Kühlmittel, der von zwei fluchtenden Fluidöffnungen 41 der erste und zweite Platte 64, 65 an der Abdichtplatte 39 gebildet ist, mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe ein großer Unterdrück erzeugt. Hierzu ist die Vakuumpumpe mit einem Unterdruckschlauch (nicht dargestellt) verbunden und der Unterdruckschlauch wird in fluidleitender Verbindung mit der Unterseite als Außenseite 67 der ersten Platte 64 gebracht. Die Außenseite 67 als die Oberseite der zweiten Platte 65 ist fluiddicht mit einem Abdichtmittel verschlossen. Da der äußere Rand 87 und die übrigen Fluidöffnungen 41 abgedichtet sind, wird damit in dem Zwischenraum 79, gebildet im Wesentlichen von den Kanälen 14 für Kühlmittel, ein starker Unterdrück von ungefähr 400 mbar erzeugt. Die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Unterdrück in dem Zwischenraum 79 als Unterdruckkammer 104 beträgt damit ungefähr 600 mbar. Der Umgebungsdruck der Luft bringt damit auf die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 eine im Wesentlichen konstante Kontaktkraft auf. Diese Kontaktkraft ist dabei pro Flächeneinheit im Wesentlichen konstant, sodass dadurch in vorteilhafter Weise die Außenseite 67 der zweiten Platte 65 mit einem konstanten Druck beaufschlagt ist. Der Unterdrück in der Vakuumkammer 82 ist kleiner als in dem Zwischenraum 79, so dass auf die untere Außenseite 67 der ersten Platte 64 eine kleinere Kontaktkraft pro Flächeneinheit wirkt als auf die obere Außenseite 67 der zweiten Platte 65 und die Differenz hieraus wird als Druckkraft von der ersten Platte 64 auf die Auflageplatte 80 aufgebracht ohne Berücksichtigung der Schwerkraft. Die Kontaktkräfte sind somit Druckkräfte. An dem Kontaktbereich 68 liegen damit die Innenseiten 66 der erste und zweiten Platte 64, 65 mit Zusatzdruckkräften aufeinander und aufgrund der Größe dieser Zusatzdruckkräfte tritt an den Kontaktbereichen 68 im Wesentlichen ein technischer Nullspalt von kleiner als 20 pm auf. Anschließend werden mit dem Laser 73 die Schweißnähte 70 hergestellt.
Optional wird vor der Erzeugung des Unterdruckes in dem Zwischenraum 79 als Unterdruckkammer 104 der Zwischenraum 79 mit einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder einem Edelgas, geflutet und vorzugsweise wird auch während der Erzeugung und dem Vorhalten des Unterdruckes ständig das Schutzgas durch den Zwischenraum 79 geleitet. Dies wird dadurch ausgeführt, dass beispielsweise während des Absaugens mit der Vakuumpumpe an dem Abführkanal 47 für Kühlmittel zusätzlich geringfügig Schutzgas durch den Zuführkanal 46 eingeleitet wird. Da das Abdichten des äußeren Randes 87 und der übrigen Fluidöffnungen 41 technisch nicht vollständig dicht realisierbar ist, ist es notwendig, während des Vorhaltens des Unterdruckes ständig Schutzgas in dem Zwischenraum 79 einzuleiten, damit während des Schweißens ständig Schutzgas in dem Zwischenraum 79 vorhanden ist. Darüber hinaus wird außenseitig an dem Brennfleck auf der Außenseite 67 der zweiten Platte 65, d. h. der Stelle des Auftreffens des Laserstrahls 74, ständig Schutzgas zugeführt. Damit kann die Schweißnaht 70 vollständig mit einer Umspülung mit Schutzgas hergestellt werden.
Im Bereich der Fluidöffnungen 41 werden umlaufend an den Fluidöffnungen 41 Schweißnähte 70 (nur in Fig. 11 und 12 dargestellt) mit Laserschweißen hergestellt, um ein unkontrolliertes Einströmen der Prozessfluide in den Zwischenraum 79 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 zu vermeiden. Die Prozessfluide werden mit Verbindungskanälen 89 in die Fluidöffnungen 41 eingeleitet oder aus den Fluidöffnungen 41 ausgeleitet. Die Schweißnähte 70 an den Fluidöffnungen 41 sind jedoch nicht an den Verbindungskanälen 89 ausgebildet. In Fig. 11 ist beispielsweise der Abführkanal 43 für Oxidationsmittel dargestellt. Das Oxidationsmittel wird durch die Kanäle 13 an einer Außenseite 67 der ersten Platte 64 geleitet im Bereich der Membranelektrodenanordnung 5. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 strömt das Oxidationsmittel in Querverteilungskanäle 94 an der Außenseite 67 und wird von den Querverteilungskanälen 94 zu den Verbindungskanälen 89 an dem Abfuhrkanal 43 geleitet. Die Verbindungskanäle 89 (Fig. 11 bis 14) sind zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 ausgebildet. Hierzu ist in die erste Platte 64 eine wellenförmige Verbindungskanalgeometrie 102 mit Umformen, beispielsweise Prägen, eingearbeitet worden vor dem Stapeln der zweiten Platte 65 auf der ersten Platte 64 und vor dem Herstellen der Schweißnaht 70. Die Verbindungskanäle 89 weisen ein erstes Ende 90 auf, welches in die Fluidöffnung 41 mündet und ein zweites Ende 91, welches unmittelbar in die Querverteilungskanäle 89 und mittelbar in die Kanäle 12, 13 und 14 für die Prozessfluide münden. Die Verbindungskanäle 89 münden an der Zusatzfluidöffnung 92 als dem ersten Ende 90 in die Fluidöffnungen 41. Die Verbindungskanäle 89 münden an der Verbindungsöffnung 93 als dem zweiten Ende 91 unmittelbar in die Querverteilungskanäle 89 und mittelbar in die Kanäle 12, 13 und 14 für die Prozessfluide. Dabei können an je einem Verbindungskanal 89 auch mehrere Verbindungsöffnungen 93 ausgebildet sein. In dem in Fig. 11 dargestellten Abführkanal 43 strömt das Oxidationsmittel somit von den Querverteilungskanälen 94 durch die Verbindungsöffnungen 93 in die Verbindungskanäle 89 ein und von den Verbindungskanälen 89 durch die Zusatzfluidöffnungen 92 in den Abfuhrkanal 43 als der Fluidöffnung 41. In der Fluidöffnung 41 als dem Zufuhrkanal 42 für Oxidationsmittel strömt das Oxidationsmittel in umgekehrter Richtung durch die Verbindungskanäle 89, d. h. strömt von dem Zufuhrkanal 42 durch die Zusatzfluidöffnungen 92 in die Verbindungskanäle 89 ein und von den Verbindungskanälen 89 durch die Verbindungsöffnungen 93 unmittelbar in die Querverteilungskanäle 94 und mittelbar in die Kanäle 13 für das Oxidationsmittel. Die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Querverteilungskanäle 94 für Oxidationsmittel sind an der Außenseiten 67 der ersten Platte 64 ausgebildet.
Die Leitung des Prozessfluides Brennstoff durch die Fluidöffnungen 41 als Zufuhrkanal 44 und Abfuhrkanal 45 für Brennstoff durch die Verbindungskanäle 89, die Querverteilungskanäle 94 und Kanäle 12 für Brennstoff wird analog ausgeführt wie bei dem Prozessfluid Oxidationsmittel. Die Querverteilungskanäle 94 und die Kanäle 12 für Brennstoff sind an der Außenseite 67 der zweiten Platte 65 ausgebildet.
Die Leitung des Prozessfluides Kühlmittel durch die Fluidöffnungen 41 als Zufuhrkanal 46 und Abfuhrkanal 47 für Kühlmittel durch die
Verbindungskanäle 89, die Querverteilungskanäle 94 und Kanäle 14 für Kühlmittel wird analog ausgeführt wie bei dem Prozessfluid Oxidationsmittel, jedoch sind die Querverteilungskanäle 94 und Kanäle 14 für Kühlmittel begrenzt von den Innenseiten 66 der ersten und zweiten Platte 64, 65, d. h. sind zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 ausgebildet.
In den Fig. 15 und 16 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Verbindungsöffnungen 93 als schlitzförmige Verbindungsöffnungen 100 dargestellt. Die Verbindungsöffnungen 93 werden mit dem Laserstrahl 74 aus dem Laser 73 in die zweite Platte 65 eingearbeitet. Dieses Einarbeiten der Verbindungsöffnungen 93 wird zeitlich nach der Herstellung der Schweißverbindung 69 mit die Schweißnähte 70, insbesondere nach der Herstellung sämtlicher Schweißnähte 70, zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 und damit zeitlich auch nach dem Aufbringen der Kontaktkräfte zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 mittels Unterdrück in der Unterdruckkammer 104 als dem Zwischenraum 79 ausgeführt. Der Laserstrahl 74 schmelzt und durchtrennt die zweite Platte 65 an einer Umschmelzungsgeometrie 99 und dies wird dahingehend geführt, dass die schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 100 ausgebildet werden. Das an den schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 100 geschmolzene Material der zweiten Platte 65 wird vollständig an dem Rand- oder Begrenzungsbereich der zweiten Platte 65, welche die schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 100 als die Verbindungsöffnungen 93 begrenzt, umverteilt und aufgeschmolzen, so dass eine im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmige oder teilkreisförmige Schmelzlippe 101 (Fig. 16) umlaufend an den Verbindungsöffnungen 93 ausgebildet wird. Dies hat den Vorteil, dass in dem Zwischenraum 73, d. h. insbesondere in dem Verbindungskanal 89, sich kein an den Verbindungsöffnungen 93 abgeschmolzenen Material der zweiten Platte 65 ablagert, beispielsweise in Form von Materialspritzern.
Für diese vollständige Umlagerung und Umschmelzung des mit dem Laserstrahl 74 geschmolzenen Materials der zweiten Platte 65 sind die Parameter des Laserstrahls 74 und damit auch des Brennfleckes des Laserstrahls 74 auf der Außenseite 67 der ersten Platte 64 entsprechend gewählt: eine Leistung von 500 W mit einer Spotgröße von 300 pm, einer Relativgeschwindigkeit v von 500 mm/s zwischen der ersten Platte 64 und dem Laserstrahl 74 während des Einarbeitens der Verbindungsöffnung 93 und eine Dicke der ersten Platte 64 im Bereich der Verbindungsöffnung von 75 pm. Die Position des Laserstrahls 74 auf der ersten Platte 64 wird optisch erfasst mit einem Laserscanner des Lasersystems. Aufgrund der bekannten Geometrie der zweiten Platte 65 und der bereits ausgeführten Schweißverbindung 69 zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 kann aus den Daten der Geometrie der ersten und/oder zweiten Platte 64, 65 und des Ergebnisses der optischen Erfassung der Laserstrahl 74 exakt auf die korrekten Positionen zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen 93 gerichtet werden. Soweit die Breite der schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 100 größer ist als die Spotgröße des Laserstrahls 74 wird dieser mehrfach in Längsrichtung entlang der schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 100 geführt zum mehrfachen Schmelzen, Durchtrennen und Umlagern des Materials der ersten Platte 64.
In Fig. 17 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Verbindungsöffnungen 93 als schlitzförmige Verbindungsöffnungen 100 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 und 16 beschrieben. Die schlitzförmigen Verbindungsöffnungen 93 sind nicht horizontal, sondern ungefähr vertikal ausgerichtet, d. h. ungefähr in einem rechten Winkel zu dem ersten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 18 und 19 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Verbindungsöffnungen 93 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 und 16 beschrieben. Die Verbindungsöffnungen 93 sind im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet.
In Fig. 20 ist ein viertes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Verbindungsöffnungen 93 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 und 16 beschrieben. Die Verbindungsöffnung 93 ist im Wesentlichen Flförmig ausgebildet. Dabei wird das Material der ersten Platte 64 nicht vollständig während des Einarbeitens mit dem Laserstrahl 74 umgeschmolzen, sondern lediglich entlang einer vollständig umlaufenden Aussparungsgeometrie 97 als Umschmelzungsgeometrie 99 durchtrennt und umgeschmolzen und ein Teilbereich 98 der zweiten Platte 65 aus der Verbindungsöffnung 93 entnommen.
In Fig. 21 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Verbindungsöffnungen 93 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 und 16 beschrieben. Die Verbindungsöffnung 93 ist im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Dabei wird das Material der zweiten Platte 65 nicht vollständig während des Einarbeitens mit dem Laserstrahl 74 umgeschmolzen, sondern lediglich entlang einer U-förmigen, nicht vollständig umlaufenden Klappengeometrie 95 als Umschmelzungsgeometrie 99 durchtrennt und umgeschmolzen und ein Teilbereich als Klappe 96 der zweiten Platte 65 wird um eine Schwenkachse 103 als einem nicht durchtrennten Abschnitt nach außen verschwenkt. In die zweiten Platte 65 wurde vor dem Stapeln der zweiten Platte 65 auf der ersten Platte 64 mit einem Prägeprozess mechanisch eine Eigenspannung und/oder eine Vorspannung eingebracht, so dass sich die Klappe 96 nach der Ausbildung der U-förmigen Durchtrennung selbsttätig nach außen verschwenkt. Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte 10, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Die Verbindungsöffnungen 93 an den Verbindungskanälen 89 werden nach der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der ersten und zweiten Platte 64, 65 als Bipolarplatte 10 mit dem Laser 73 eingearbeitet. Die Einarbeitung mit dem Laser 73 hat den Vorteil, dass die Verbindungsöffnungen 93 sehr genau und mit einem geringen Aufwand und geringen Kosten eingearbeitet werden können, weil ein Lasersystem zur Erzeugung des Laserstrahls 73 für die Herstellung der Schweißnähte 70 ohnehin vorhanden ist. Ein aufwendiges mechanisches Einstanzen der Verbindungsöffnungen 93 mit einer kostenintensiven Stanzmaschine für das zur Verfügung stellen der zweiten Platten 65 ist somit nicht notwendig. Die Kosten für die Herstellung der Bipolarplatten 10 können damit in vorteilhafter weise reduziert werden bei einer höheren Genauigkeit der Geometrie der Verbindungsöffnungen 93. Darüber hinaus können auch sehr kleine Verbindungsöffnungen 93 eingearbeitet werden, welche aus Gründen der Fertigungsgenauigkeit und werkstofftechnischen Gründen mit mechanischen Stanzprozessen nicht hergestellt werden können. In je einem Verbindungskanal 89 können somit eine große Anzahl von Verbindungsöffnungen 93 ausgebildet werden oder sein. Änderungen an der Geometrie der Verbindungsöffnungen 93 können preiswert mit einem geringen Aufwand nur mit einer Änderung der Software und/oder Umprogrammierung des Lasersystems erreicht werden, so dass der Laserstrahl 74 einen anderen Bewegungsweg auf der zweiten Platte 65 ausführt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte (10, 51) für eine elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von einer ersten Platte (64) und einer zweiten Platte (65),
Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander, so dass Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufeinander liegen,
Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte (64, 65) mittels eines Unterdruckes in einer Unterdruckkammer (104) im Vergleich zu einem Umgebungsdruck, so dass resultierend aus den von dem Umgebungsdruck aufgebrachten Kontaktkräften die Innenseiten (66) der ersten und zweiten Platte (64, 65) aufgrund der aufgebrachten Kontaktkräfte mit einer Zusatzdruckkraft an einem Kontaktbereich (68) aufeinander liegen,
Herstellen wenigstens einer Schweißverbindung (69) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65) mit einem Laserstrahl (74), Ausbilden von Verbindungskanälen (89) für Prozessfluide an der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65), die in Fluidöffnungen (41) an den Bipolarplatten (10, 51) und in Kanäle (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) münden, Einarbeiten von Verbindungsöffnungen (93) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65), welche die Verbindungskanäle (89) mit den Kanälen (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnungen (93) mit einem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet werden. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zuerst das Herstellen der Schweißverbindung (69) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65) ausgeführt wird und anschließend die Verbindungsöffnungen (93) mit dem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet werden. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst das Aufbringen von Kontaktkräften auf die erste und zweite Platte (64, 65) mittels des Unterdruckes in der Unterdruckkammer (104) im Vergleich zu dem Umgebungsdruck ausgeführt wird und anschließend und simultan hierzu das Herstellen der Schweißverbindung (70) zwischen der ersten und der zweiten Platte (64, 65) ausgeführt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) mittels Verformen, insbesondere Prägen, Verbindungskanalgeometrien (102) eingearbeitet werden, so dass nach dem Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander aufgrund der Verbindungskanalgeometrien (102) die Verbindungskanäle (89) als Zwischenraum (79) zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) ausgebildet werden. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einarbeiten der Verbindungskanalgeometrien (102) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) vor dem Stapeln der ersten Platte (64) und der zweiten Platte (65) aufeinander ausgeführt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die korrekte Position eines Brennfleckes des von einem Lasersystem erzeugten Laserstrahls (74) zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen (93) auf der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) optisch erfasst wird, insbesondere mit einem Laserscanner. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verbindungsöffnung (93) für je einen Verbindungskanal (89) mit dem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet wird indem die erste und/oder zweite Platte (64, 65) mit dem Laserstrahl (74) an wenigstens einer Klappengeometrie (95) durchtrennt wird und anschließend wenigstens ein Teilbereich der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) als die wenigstens eine Klappe (96) bewegt, insbesondere verschwenkt, wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der wenigstens einen Klappe (96) von einer Eigenspannung oder Vorspannung der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) verursacht wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannung oder Vorspannung der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) mit einem Prägeprozess in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingebracht wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verbindungsöffnung (93) für je einen Verbindungskanal (89) mit dem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet wird indem die erste und/oder zweite Platte (64, 65) mit dem Laserstrahl (74) an wenigstens einer Aussparungsgeometrie (97) durchtrennt wird und anschließend wenigstens ein Teilbereich (98) der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) von der übrigen ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) entfernt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verbindungsöffnung (93) für je einen Verbindungskanal (89) mit dem Laserstrahl (74) in die erste und/oder zweite Platte (64, 65) eingearbeitet wird indem die erste und/oder zweite Platte (64, 65) mit dem Laserstrahl (74) an wenigstens einer Umschmelzungsgeometrie (99) durchtrennt wird und das während des Durchtrennens geschmolzene Material der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) an dem Rand der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65), welche die wenigstens einen Verbindungsöffnung (93) begrenzt, als Schmelzlippe (101) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, angelagert wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verbindungsöffnung (93) schlitzförmig und/oder kreisförmig und/oder T-förmig ausgebildet wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (74) zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen eine Leistung zwischen 200 W und 800W, insbesondere zwischen 400 W und 600 W, aufweist und/oder der Laserstrahl (74) zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen einen Durchmesser zwischen 100 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 200 pm und 400 pm, aufweist und/oder eine Relativgeschwindigkeit zwischen der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) und dem Brennfleck des Laserstrahls (74) zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen zwischen 300 mm/s und 700 mm/s, insbesondere zwischen 400 mm/s und 600 mm/s, beträgt, und/oder die Dicke der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) an dem Brennfleck des Laserstrahles (74) zum Einarbeiten der Verbindungsöffnungen zwischen 25 pm und 125 pm, insbesondere zwischen 50 pm und 100 pm, beträgt. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10,
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Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10, 51) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird. Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend
- gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und
- die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, wobei an den Bipolarplatten (10, 51) Verbindungskanäle (89) für Prozessfluide zwischen der ersten und zweiten Platte (64, 65) ausgebildet sind und die Verbindungskanäle (89) in Fluidöffnungen (41) an den Bipolarplatten (10, 51) und in Kanäle (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) münden und in den ersten und/oder zweiten Platten (64, 65) der Bipolarplatten (10, 51) Verbindungsöffnungen (93) ausgebildet sind, welche die Verbindungskanäle (89) mit den Kanälen (12, 13, 14) für Prozessfluide an den Bipolarplatten (10, 51) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt ist und/oder an den ersten und/oder zweiten Platten (64, 65) die Verbindungsöffnungen (93) von Schmelzlippen (101) begrenzt sind, insbesondere die Schmelzlippen (101) eine größere Dicke aufweisen als die erste und/oder zweite Platte (64, 65) außerhalb der Schmelzlippen (101) und/oder die Schmelzlippen (101) aus abgeschmolzenem Material der ersten und/oder zweiten Platte (64, 65) ausgebildet sind.
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