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: 0 ₂ + 4 H ⁺ + 4 e- -» 2 H ₂ 0

Anode:

2 H ₂ -» 4 H ⁺ + 4 e-

Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H ₂ + O ₂ -» 2 H ₂ O

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 O ₂ und Wasserstoff H ₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O ₂ und Wasserstoff H ₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H ₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O ₂ 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 H ₃ 0 ⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.

Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode:

4 H ₃ O ⁺ + 4 e- -» 2 H ₂ + 4 H ₂ O

Anode:

6 H ₂ O — » O ₂ + 4 H ₃ O ⁺ + 4 e'

Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:

2 H ₂ O -» 2 H ₂ + O ₂ 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.