CN101997122A - 双极板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双极板及其制造方法。双极板优选包括至少两个层，其中至少两个层每一层包括至少第一凹口/凸起和第二凹口/凸起，第一层的第一凹口/凸起和第二层的第一凹口/凸起在所述至少两个层的完全定位状态下彼此接合，且在平面E1中以嵌入方式相互接触。第一层的第二凹口/凸起和第二层的第二凹口/凸起在所述至少两个层的完全定位状态下彼此接合，且在平面E2中仅部分地在至少两个部分中相互接触。接触部分布置在沿第二层的第二凹口/凸起的主方向延伸的虚拟直线两侧。在第二接触区域的区域内没有在互锁的第二凹口/凸起之间形成嵌入式联接。本发明允许快速地、成本有效地和针对性地制造双极板。

Description

双极板及其制造方法

技术领域

本发明涉及双极板以及用于制造该双极板的方法。

背景技术

根据本发明的双极板可用在电化学系统中，例如用在燃料电池系统中或者用在电解器中。已知有若干类型使用电化电池层叠体的电化学系统，该层叠体具有分层的多个电化电池，所述电化电池每个被双极板隔开。双极板具有以下若干功能：

-电连接各电化电池的电极，且将电流引导至相邻的电池(电池串联连接)；

-将介质或者反应物例如水和气体提供给电池，且通过相应的分配结构(即所谓的流场)去除在电池中产生的反应气体；

-传送在电化电池中产生的热量；以及

-关于彼此以及相对于外界密封不同种类的介质以及流场的冷却通道。

对于很大工业规模的预期应用而言，能够低成本地生产大量高质量的双极板是非常重要的。在这种情况下，未超出尺寸公差的变化量是非常重要的，因为否则的话可能导致功能故障，甚至与安全有关的故障。这对于焊接的多层双极板特别重要。

到目前为止，还使用定位孔以确保各层关于彼此精确定位。实践表明，在确保至少两个双极板关于彼此精确的相对定位的这些定位孔与其它通孔以及与外部边缘的切割同时形成的情况下，所述层关于彼此定位的准确性和再现性不够。特别地，可能导致各层的流场的通道几何形状之间的偏移。在极度偏移的情况下，在双极板的焊接步骤期间双极板彼此未接触的区域内进行双极板的焊接，这会由于燃烧而导致相应的区域毁坏。

发明内容

因此，本发明的目的是提供多层双极板以及多层双极板的制造方法，该制造方法允许以高质量及低成本大规模地制造多层双极板。

该目的由根据独立权利要求所述的双极板和方法来实现。

用于生产多层双极板的方法的第一实施例提出：在至少两个层中的每层中形成至少第一凹口/凸起和第二凹口/凸起，并且所述层以层叠的方式定位。在所述两个层完全彼此叠置的状态下，第一层的第一凹口/凸起与第二层的第一凹口/凸起彼此接合并且通过建立第一接触区域在平面E1中以外形锁定方式(从而以嵌入方式)接触。同时第一层的第二凹口/凸起与第二层的第二凹口/凸起彼此接合，但是通过形成第二接触区域在平面E2中仅部分地彼此接触。其接触部位布置在一虚拟直线的两侧，该虚拟直线在沿着第二层的第二凹口/凸起的最长延伸的、该第二凹口/凸起的主方向上延伸。在该平面E2中，在第一层的第二凹口/凸起与第二层的第二凹口/凸起之间不存在密闭的嵌入式联接。所述至少两个层以嵌套的方式定位，其中至少一个层的凹口/凸起被固定在固定装置的互补凹口/凸起中，并且所述至少两个层通过粘合接头在那里彼此结合。

由于这种布置，在完全定位状态下，从而在所述层紧接着在其被结合之前的布置下，在所述两个层之间沿穿过两个接触位置的虚拟直线的方向不会存在平移。但是，可以在所述层之间在与该虚拟直线垂直的方向上在相应第二凹口/凸起的尺寸比例的限度内进行调整。

双极板通常呈现出具有凹部和/或隆起的通道结构。该通道结构限定流场。在两个层形成分离器和冷却系统的情况下，这两个层均会被结构化。在三个层形成分离器和冷却系统的情况下，至少两个外层会被结构化。内层可以被结构化，但这不是必须的。形成所述层的通道结构的这些凹部和/或隆起与用于确定所述层的定位的凹口和/或凸起无关。这是指凹口/凸起优选是位于通道结构的外部。但是，出于节省空间的原因，优选地可以将它们布置在通道结构之间。

优选地，与凹口/凸起在相同的程序步骤中在所述至少两个层中形成形成通道的凹部和/或隆起。通道结构的方位通常使得其主方向与凹口/凸起允许在双极板的层之间进行有限调整的方向平行。在两个层中各第二凹口/凸起相对于通道结构的位置是其被模压之前预先确定的。这在初始时防止以可再现的方式形成相应层的通道之间的垂直于其主方向的偏移。

本发明背景下的术语“凹口/凸起”用于双极板的层的一部分，该部分从相应层的平面突起。将该突起看作是凹口还是凸起取决于观察角度。如果在这里使用互补的术语“凸起/凹口”，则这是为了强调反方向。

用于生产多层双极板的方法的第二实施例提出：在至少两个层中，形成至少第一、第二和第三凹口/凸起，并且所述层以层叠的方式定位。在完全定位状态下，第一层和第二层的各第一凹口/凸起通过形成第一接触区域而彼此接合，第一层和第二层的各第二凹口/凸起通过形成第二接触区域而彼此接合，并且第一层和第二层的各第三凹口/凸起通过形成第三接触区域而彼此接合。这样，第一层和第二层在平面E2、E3和E4中彼此仅部分接触，即以至少两个接触部位接触，而不会在第一层和第二层之间形成嵌入式联接。这些接触部位以使得它们在平面E2、E3和E4中分别在沿第二层的相应第二凹口/凸起的主方向延伸的虚拟直线的两侧延伸的方式布置。这些穿过第一接触区域和第二接触区域的虚拟直线通常彼此基本上平行地延伸。在本发明中的“基本上平行”表示角度在-10°与+10°之间。穿过第三接触区域的虚拟直线基本上垂直于前两个虚拟直线延伸。在本发明中，“基本上垂直”表示角度在80°与100°之间。

所述至少两个层通过结合(在这里也称为粘结)而彼此连接，其中，至少一个层的凹口/凸起被固定在固定装置的互补凸起/凹口中，以保证所述层关于彼此准确定位。在本发明中，结合包括胶粘、铜焊、锡焊和焊接，尤其是激光焊接。

结果，由两个接触区域利用上述虚拟直线的大体平行的方位提供的有限的可调整性以更加规则的方式分布在双极板的整个面积上。特别是利用另一接触部位的居中布置，虚拟直线基本上垂直布置的接触部位，在该接触区域的两侧实现对两个层相对于彼此的成形公差的调整。即使缺少成形精度，也提供了用于对所述层相对于彼此进行调整的足够的自由度，这使得依然准确地确定所述层相对于彼此的定位。该方案尤其对于几乎方形的流场区域具有优势。

依然在该实施例中，优选地，与凹口/凸起在相同的程序步骤中在所述至少两个层中形成形成通道的凹部和/或隆起，以在通道结构与各层的接触部位之间提供预定距离。

在上述两个实施例中，如果至少一个凹口/凸起具有固定装置的定心螺栓能够通过的通孔，则在所述层连接之前对于优化定位是有利的。

用于将所述层彼此连接的优选方法包括胶粘和焊接，最优选的是激光焊接。双极板及其各层分别优选包括金属，最优选的是钢，或者由金属构成。这允许它们通过模压、深冲压、液压成形、绝热成形(诸如锻造和高能率成形)或者辊轧成形而成形。

平面E1与E2或者E2、E3与E4分别为在两个层之间的接触部的相应平面中基本上垂直于燃料电池层叠体的层叠方向朝向的平面。这些平面E1和E2或者E2、E3和E4分别平行于双极板的平面E延伸，除其功能所需的结构之外的该双极板通常是平的；平面E被限定为在双极板的两个外层之间基本上居中地延伸。在一方面的平面E1和E2与另一方面的平面E2、E3和E4彼此平行，也就是以偏移的方式在不同的接触部位实现接触的情况。但是，它们也可以是相同的，这源于不存在这样的偏移。

根据本发明的双极板的第一实施例提出：该双极板由具有通道结构的至少两个层构成，其中至少两个层各自具有至少第一凹口/凸起和第二凹口/凸起，其中，第一层的第一凹口/凸起与第二层的第一凹口/凸起在所述层的完全定位状态下彼此接合，并且通过形成第一接触区域在平面E1中以外形锁定方式(因而利用嵌入方式)彼此接触。相反，第一层的第二凹口/凸起与第二层的第二凹口/凸起在形成第二接触区域的同时在平面E2中仅部分地彼此接触，也就是沿至少两个短的(在有些情况下甚至仅为点状)部分彼此接触。这些接触部位位于沿第二层的第二凹口/凸起的主延伸方向延伸的虚拟直线的两侧。但是，在第一层和第二层的接合的第二凹口/凸起之间的部分式接触各自未在平面E2中形成所述层的嵌入式联接。相反，在上述虚拟直线的方向上，平行于平面E2可进行有限的平移调整。但是，在两个接触区域之间的互作用防止旋转调整。

这使得两个层利用所述层的用于调整目的的有限自由度而关于彼此准确地定位，即沿着基本上垂直于穿过第二接触区域的两个接触部位的虚拟直线的方向彼此准确地定位。

应当理解，双极板通常包括通道结构。尤其在双极板的外表面，这些通道结构提供对反应介质(例如一方面为分子氢，而另一方面为空气/氧气)的引导，并且尤其在层之间提供对冷却介质的引导。为此，两个相邻双极板层的、在彼此相对的表面上的通道结构形成流场，通常用于冷却介质。同样地，在各双极板层的相应的对侧形成流场，该流场实现反应物的分配以及反应产物的取出。利用金属双极板，在层的两侧的结构通常是互补的，这意味着上侧的凸起导致下侧的凹陷。除了平行和/或蛇形布置的连续的通道结构之外，允许在虚拟的平行流线之间实现转移的其它分配结构也是可行的。后者在本发明中也称为通道结构。

对于金属双极板，使用定位模压部进行所述层的定位是尤其有利的，原因是双极板的层往往具有源自成形工艺的形状公差，特别是由于回弹引起的形状公差。同时形成通道结构和凹口/凸起可在这些结构之间实现可预知的、可再现的距离。因此，本发明允许使得双极板的各个层关于彼此的偏移最小化，因而实现各个层的(优选是经过模压的)通道结构的准确定位，尤其是还同时在焊接设备(例如激光焊接设备)中使所述层结合。这得到以下优点：焊接更好且更快；由于定位更佳，在焊接时以及其它过程期间的缺陷零件的数量减少。这允许增加板层的总切割的公差。反过来，特别是由于能够采用更简单的切割方法，例如冲孔，实现了成本降低，而对质量没有任何影响。

为了防止多层双极板膨胀，建议将双极板的至少两个最外层彼此焊接，特别是通过激光焊接进行焊接。但是，在焊接精细的和/或小的通道结构的正确部分时应当注意。这极其重要，因为这决定密封性以及双极板的层之间的冷却介质的受控流。再次强调，双极板的层的焊接并不仅仅沿着板的外缘进行，而是也可以在其内部区域中进行，也就是在不同的通道结构之间进行，并且，特别是对于后者，需要双极板层彼此间极其精确的定位。

本发明的又一可替选方案提出：双极板包括至少两个层，其中至少两个层每个分别具有至少第一、第二和第三凹口/凸起。第一层和第二层的第一凹口/凸起分别彼此接合，同时形成第一接触区域。第一层和第二层的第二凹口/凸起分别彼此接合，同时形成第二接触区域。第一层和第二层的第三凹口/凸起分别彼此接合，同时形成第三接触区域。所述接合总是出现在完全布置状态下。对应的凹口/凸起在平面E2、E3和E4中仅部分地彼此接触。接触区域的接触部位对被置于平面E2、E3和E4中，分别在沿第二层中的相应凹口/凸起的主方向延伸的虚拟直线的两侧。关于第一接触部位和第二接触部位，这些虚拟直线相互平行地延伸，而沿着第三接触部位的主方向延伸的虚拟直线基本上垂直于前两个虚拟直线延伸。

在下文中，以简化的方式描述根据本发明的双极板的优选实施例。

一个实施例提出第一层的凹口/凸起自定心至第二层的相应凹口/凸起。由于所述层关于彼此使自身置于中心，所以这使得不必对板进行对齐，特别是在其高度方向上，进而在燃料电池层叠体的层叠方向上不必对板进行对齐。

本发明的另一有利实施例要求第一层和/或第二层的第一凹口/凸起和/或第二凹口/凸起包括通孔。这些通孔优选居中布置。在两个层中均设置孔是最有利的。这样的通孔允许固定螺栓或定心螺栓(例如固定装置的固定螺栓或定心螺栓)啮合。另一方面，具有不同尺寸的孔或者在仅仅一个层中的孔允许实现对层的正确组合的可视控制。

另一有利实施例提出，彼此接合的第一层和第二层的凹口/凸起具有圆形形状。同样地，也可提出，第一层的第二凹口/凸起也是圆形的，而第二层的第二凹口/凸起是椭圆形的或者具有圆角多边形的形状，但不是圆形的。

通常，凹口/凸起可具有能够通过模压产生的所有形状，而由于制造和加工的原因，带圆角的形状是优选的。固定装置的几何形状和凹口/凸起的几何形状相互匹配很重要。相应地，在本发明中，椭圆形也包括卵形和圆角多边形，但明确不包括圆形形状。

另一有利实施例提出，至少一个层包括通道结构，且第二凹口/凸起的纵向方向被布置为平行于该通道结构。这确定了在板可能由于例如热或者制造(特别是在模压之后各个层的不同回弹)而引起延伸的情况下沿着彼此连接的通道结构的平行偏移。这允许在两个层中通道的“最深点”总是以层叠的方式布置，且所期望的区域相互接触。这在焊接、特别是激光焊接期间是特别有利的，因为可防止由于过热造成的燃烧损坏。

另一有利实施例提出，第一层的凹口/凸起具有比第二层的互补凹口/凸起的圆锥角更倾斜或者更小的圆锥角。这允许在凹口/凸起之间实现线性的圆周接触，而这导致了足够的表面压力。通过在相邻层中的凹口/凸起的不同高度，该作用得到进一步增加。

在下文中，以略微不同的措词描述了本发明的特别优选的实施例，然而这些描述不应被理解为限制本发明。

为实现双极板关于彼此的精确定位，在层中形成锥形的模压部。取决于观察角度，可认为这些模压部是凹口或者凸起。如果例如面对阳极侧的双极板层(阳极侧层)具有两个圆形模压部，且面对阴极侧的双极板层(阴极侧层)具有圆形模压部和椭圆形模压部，则是有利的。这些定位模压部可具有例如允许阳极侧层被嵌套至阴极侧层的形状和尺寸，且模压部的锥体允许实现所述层关于彼此的外形锁定的定心。椭圆形模压部的优点源自层系统不超定(over-determined)，不超定的该层系统允许实现在阳极侧层和阴极侧层之间的调整。因此，如果主方向、进而椭圆形模压部的最长延伸平行于流场的通道的主方向延伸，则是有利的。这防止在y方向上的偏置，因此防止垂直于通道结构的偏置。

定位模压部的另一特性在于，定位模压部也能够用于在设备中的外形锁定定位，该设备例如为焊接设备。出于如上所述相同的原因，该设备中的保持器优选具有与双极板层的相应的凹口/凸起相比互补的但略微增大的形状。因此，如果使用椭圆形定位模压部，则保持器也具有椭圆形形状，但其尺寸大于相应层中的模压部的尺寸，例如参看图3e中的截面C-C。尺寸增大的圆形保持器用于圆形定位模压部。为允许实现各层在该设备中的粗略的预定心，在定位模压部的中间设置孔和椭圆形洞以及在该设备中设置相应的保持器销或者定心螺栓能够是有利的。通过保持器销进行的这种预定心使得所述层平顺地插入该设备的保持器中。

对于相应层中的对应的定位模压部的设计存在多种不同的选择。一方面，可以在两个层中形成相对于层的其余平面凸出的凸起，且在被布置于另一层之下的层中的凸起在形成于上层中的凸起的下侧的凹口中接合。然而，当考虑各双极板或双极板层的其它结构部分时，通常不能形成其整个高度仅在一个方向上的凸起，因为那样的话，凸起会例如凸出到用于使所述层关于彼此密封所需的卷边之上，因而会妨碍所述板的密封。在此情形下，建议在两个层中均形成具有更大直径的凹口，且分别在这些凹口的表面中模压形成凸起。为形成凸起，凹口的高度小于实际凸起的总高度。这允许将凹口/凸起的高度分配至各双极板的平面的两侧。总之，关于两侧的对称高度分布以及非对称高度分布都是可能的。

能够按照使得一个层比另一个层具有更倾斜的圆锥体的方式选择定位模压部的设计。此外，有利的是在两个层中具有不同高度的模压部，使得所述层仅在相应的圆锥体侧面内在接触部位中部分地或者完全在周缘上相互接触。

此外，设备的圆形或者椭圆形的保持器在其开口侧设有倒圆是有用的，该倒圆承受双极板的外部圆锥体的斜面。然而，在定位期间需要施加足够的力以实现具有嵌入式联接的定心。

如早已记载，根据本发明的双极板包括至少两个层，但可包括更多的层。这在冷却介质在双极板的内侧进行引导的情况下尤其有利。特别是对于构成第三层的未被结构化的中间层，有利的是将第三层以如下方式集成到双极板中：该第三层在外层的凹口/凸起的区域内被切除，使得一个外层的凹口/凸起在穿过切口时可接合另一外层的凸起/凹口。

对于具有多于两个层的双极板，也可能该双极板的层以与上文中关于两层板描述的方式相同的方式被成对布置。通过在x-y平面(更精确而言为平面E1)内导致嵌入式联接的定位模压部，同样地也可以在所有的层中在相同位置提供对应的凹口/凸起，而在其各接触平面E2、E3或E4中未形成嵌入式联接的定位模压部需要关于相邻的成对的层而偏移布置。该布置适用于结构化的板，因此适用于被模压的中间层，因为定位模压部能够以剩余的结构形成。但该布置也适用于非结构化的中间层。

附图说明

在下文中，基于不同的附图描述本发明。相同的参考标记表示相同的部件。

在附图中：

图1a至图1d为包括至少一个双极板的电化电池层叠体的示例性结构；

图2为根据本发明的双极板的一个层；

图3a至图3g为根据本发明的双极板的第一实施例的视图、截面以及更多细节；

图4a至图4c为根据本发明的双极板的第二实施例的俯视图以及截面；

图5a至图5h为接触部位的不同的俯视图；

图6为根据本发明的双极板的又一实施例的截面图；

图7为根据本发明的三层双极板的又一实施例的接触部位的截面图；以及

图8为关于根据本发明的双极板的激光焊接的细节。

具体实施方式

图1a和图1d示出燃料电池单元7的结构。多个这样的燃料电池单元7形成燃料电池装置8，该燃料电池装置在端板70和71之间以层叠方向z层叠，如图1c所示。图1b示出数个彼此层叠的燃料电池单元7，但没有端板。在图1a和图1d中，可分别在分解示图和平面x-z中的截面图中看到具有其普通部件的燃料电池单元7。该燃料电池单元7例如包括聚合物膜9，该聚合物膜在其中心区域9a中在两个表面上设有催化剂层。燃料电池单元7包括两个双极板1和1^*，在这两个双极板之间布置带有涂层的聚合物膜。此外，在各双极板1、1^*与带有涂层的聚合物膜9之间的区域内布置有气体扩散层10。双极板1、1^*包括以密封的方式包围流场、从而包围通道结构4的卷边(bead)4a。此外，示出另一卷边4a，该另一卷边4a在重复的单元7’之间使介质疏导密封。在下面的附图中，出于清楚目的省略了密封部件的表示。

在本申请中区分下述术语：

-实际的燃料电池定义为第一气体扩散层10、带有涂层的聚合物膜9和第二气体扩散层10的合体；

-燃料电池单元7包括：双极板1的阳极侧层2，如在前文中定义的燃料电池和第二双极板1^*的阴极侧层3，以及双极板1的其它层(在需要时)。

这表示双极板1总是在两个燃料电池单元7之间分配。需要将该术语“燃料电池单元”与所谓的重复单元7’进行区分，重复单元7’包括完整的双极板1以及根据以上定义的燃料电池。图1d进一步指出所述层至少在卷边4a的区域中被沿周缘彼此焊接，参看焊缝11。在这种情况下，明显的是，与通道结构4相比，密封卷边4a具有更大的模压深度。图1d进一步示出通道结构4的不同隔室：在彼此背向的层2、3的表面上的反应物通道41、42，以及在层2、3之间的用于冷却剂的通道43，所述层彼此部分地接触。在图1d中的表示涉及燃料电池的非压缩状态。

在下文中，目标在于通过示例说明双极板1的结构以及生产该双极板的方法。

图2示出根据本发明的双极板的一个层3。在所示示例中，金属层3具有连续的、直的通道结构4，通道结构4具有若干平行的通道，流场在x方向上的范围是在y方向上的范围的五倍。金属层3还示出圆形凹口3a以及椭圆形凹口3b。圆形凹口3a在其中心设有圆形孔，而椭圆形凹口3b示出布置于中心的椭圆形孔。延伸方向5，因而为在椭圆形凹口的最长延伸的方向上的虚拟直线被布置为平行于通道结构4的延伸，因此平行于流体疏导的方向。这表示通道结构在该方向上准确地引导流体(该流体为在未来双极板的内侧的冷却剂介质，或者在未来双极板的外表面上的介质)。

图2所示的层3连接至至少一个其它的层以形成双极板。这些层通过激光焊接而相互结合，不仅在双极板的外部边缘进行激光焊接，而且至少在中心区域的一部分、也就是在双极板的流场的一些接触区域中进行激光焊接，以防止双极板在双极板内侧的冷却剂的增加的压力下膨胀。为提供可靠而精确的焊接，椭圆形凹口的延伸方向5平行于通道结构延伸是有利的。

图3a示出根据本发明的结合的双极板1的俯视图。双极板由至少两个层2和3构成，所述至少两个层通过激光焊接结合，如焊缝11、11’和11”所示。激光焊接线11构成实线。这表示包围通道结构(在需要时被供给和取出线路中断)的区域相应地以密封方式焊接。此外，凸起和凹口(哪个被认为是凸起或凹口取决于观察角度，参看参考标记2a和2b)的区域彼此结合，参看虚线11’。此外，在流场的区域中，借助于分段的直线焊缝，双极板1的两个层也彼此连接，焊缝的位置例如由箭头11”示出。

该图示出上部的第一层2，在其之下，仅能够部分地、即在孔的区域中识别出层3。在下部的层3中，在凹口/凸起的区域中的孔的直径较小，这提供了小的可见部分，如可从图3a的右上部分看出的那样。这允许(通过视觉或者自动化检查)检验是否以正确的方式组装了正确的层。

下文中尤其还借助于截面图B-B(见图3b)、C-C和D-D(见图3a、图3e和图3f)关注接触区域23a和23b的凹口/凸起。在图3c和图3g中示出区域D1和D2的相应的剪切的示意性俯视图。此外，图3d说明了图3b所示凹口/凸起的角度的关系。在这种情况下，下层的部件实际上被上层覆盖，因此是不可见的，例如椭圆形的凹口/凸起由实线示出。图4a也是同样情况。

图3a示出，在两个层2和3中的接触区域23a处，设置了圆形的凹口/凸起2a和3a。相反地，接触区域23b示出层2中的圆形凹口/凸起2b以及层3中的椭圆形凹口/凸起3b。这些互锁的凹口/凸起2b和3b示出两个接触部位30b和31b。与层2中的圆形凸起2b相比，相应的接触部位30b和31b仅在周缘的极短的部分中延伸，其几乎仅呈点形。接触部位30b和31b被置于圆的相对侧边上且彼此相对。经过相应的接触部位30b和31b的中心点的虚拟直线指示不会发生移动的方向。该方向基本上垂直于通道结构4的主方向和焊缝11’的方向。然而，在垂直于该虚拟直线的方向上，沿着线5b，两个层都能够在有限的范围内关于彼此移动，这允许实现有限的公差调整或者由于热量导致的延伸引起的或者由于形成过程引起的沿着两个层的通道结构的相对移动。

图3b示出根据图3a的双极板，该双极板被引入固定装置6的保持器6c、例如焊接装置的固定装置中。该固定装置还呈现出定心螺栓6a以及倒圆6b。该图示出根据截面B-B的详细的视图，其中，在第一层2(在已安装状态下为阳极侧层)之下插入第二层3，在已安装状态下，该第二层为阴极侧层。两个层都由薄金属片制成，特别是由钢的金属片制成。第一层2的第一凸起2a被插入第二层3的第一凹口3a。所述凹口3a和凸起2a按照它们在平行于平面E的平面E1中形成嵌入式联接的方式布置，这意味着在该平面的任何方向上都不能进行平移移动。平面E被定义为双极板的与根据图2的平面x-y对应的平面。

这些情况在图3c中没有孔的区域D1的简化表示中通过正交的双箭头进一步强调。从中可明显看出，分别在平面E和E1中不会有移动。第一凸起和第一凹口3a因此关于彼此以自定心的方式布置。

如从图3b中可看出，第一凸起2a和第一凹口3a两者分别具有圆形孔2ax和3ax。第一凹口3a的这个孔3ax的直径小于第一凸起2a的孔2ax的直径。孔的相应的面积也适用相同的比例。

固定装置自身在定心螺栓的区域中呈现出实际的容纳部6c，该容纳部6c朝向平面E向上经过倒圆6b。在这里，容纳部呈现出圆筒形形状。

如在图3d中根据图3b所示部分F1的详细视图中可清楚看出，在竖直线与凸起2a的外壳体表面之间的锥体的角度α2小于在该竖直线与凹口3a的内壳体表面之间的锥体的角度α3。在这里，竖直线对应于定心螺栓6a的主轴线的方向。这仅允许第一凸起2a的外壳体表面与第一凹口3a的内壳体表面的线性的圆周接触，这导致平面E1中的嵌入式联接。

还可以看出，第一凸起2a的高度h2小于凹口3a的高度/深度h3。这导致在围绕定心螺栓6a的区域内第一层2不倚靠在第二层3上，且两个层2和3仅在对应于圆周接触线的接触区域中相互接触。

图3e还示出在固定装置6的第二定心螺栓6d周围的区域中根据C-C的截面图。该截面图由图3f中的截面D-D补充，该截面D-D与截面C-C正交。能够看到层2的第二凸起2b，该第二凸起2b是圆形的且呈现出圆形的、位于中心的开口2bx，该开口2bx被布置成与容纳部6f中的第二定心螺栓6d的外壳体同轴。该第二凸起2b啮合层3中的第二凹口3b，层3被布置在第一层2下方。如图3b所示，第二凹口3b的开口3bx的横截面(至少在该截面图中)略微小于第二凸起2b的相应开口的横截面。然而，第二凹口3b具有椭圆形形状，这导致图3e中的第二凸起可在有限范围内从左至右移动，这意味着不存在嵌入式联接。与此相反，在图3f所示的截面D-D中，在凸起2b与凹口3b之间，在平面E2中的接触部位30b、31b处接触。这在图3g所示的区域D2的简化草图中强调指出，在该图中未示出孔。在此，竖直的双箭头指出第二凸起2b不能在第二凹口3b内沿y方向移动。相反地，水平双箭头指出可在x方向上进行移动用于补偿目的。

下文用于指出本发明的典型尺度。凹口/凸起在x或y方向上的延伸通常在2mm至25mm之间，优选在4mm至15mm之间。在定心螺栓四周的容纳部6f的深度对应于大致0.5mm至1mm，固定装置6中的容纳部6f的直径优选在2mm至30mm的范围内。开口(例如开口2bx或3bx)相对于定心螺栓的空隙通常在0.1mm至3mm之间，优选在0.1mm至1mm之间。

这样，图3a至图3g示出双极板1，该双极板1包括至少两个层2、3，所述至少两个层2、3的每个呈现出第一凹口/凸起和第二凹口/凸起，其中，在层2、3的完全定位状态下，第一层2的第一凹口/凸起2a和第二层3的第一凹口/凸起3a彼此锁定且在平面E1中以嵌入方式接触，然而第一层2的第二凹口/凸起2b和第二层3的第二凹口/凸起在层2、3的完全定位状态下彼此锁定但仅在至少两个部位30b、31b相互接触，接触部位30b、31b被置于可沿第二层3的凹口/凸起3b的主方向延伸的虚拟直线5b两侧，并且，其中在平面E2中未建立凹口/凸起2b与凹口/凸起3b之间的嵌入式联接。

图4a至图4c示出根据本发明的双极板的可替选的实施例。除了在下文中提到的不同之处，上文中的描述在此也适用。

图4a示出双极板1’的俯视图，其中层3’被布置为上层。在图4c中以俯视图在仅示出定位模压部的板上示出截面E-E的轨迹。在图4b中示出截面图E-E自身。图4b示出凸起如何与凹口互锁，也就是凸起2a’与凹口3a’、凸起2b’与凹口3b’、凸起2c’与凹口3c’互锁。因此，存在三个接触区域23a’、23b’和23c’，每个都具有一对类似于图3e至图3g所示的凹口/凸起。这表示接触区域(例如平面E3中的接触区域23b’)的凹口/凸起分别以两个部分相互接触，这些接触部位30b’和31b’在虚拟直线5b的两侧彼此相对地设置。这对于平面E2中具有接触部位30a’和31a’以及虚拟直线5a的接触区域23a’以及平面E4中具有接触部位30c’和31c’以及虚拟直线5c的接触区域23c’也同样适用。平面E2、E3、E4为平行于平面E延伸的平面，然而这些平面未在附图中示出。在该示例中示出的在接触区域23a’处的虚拟直线5a和在接触区域23b’处的虚拟直线5b基本平行地延伸，因此允许在该方向上进行有限的调整，也就是说，平行于沟道结构4的主方向，因此也在焊缝11”的方向上。虚拟直线5c与前两个虚拟直线5a和5b基本正交地延伸，且被基本上布置在接触区域23a’和23b’的中间。虚拟直线5c指出在接触部位23c’处的调整方向。

因此，图4a至图4c示出包括至少两个层2’、3’的双极板1’，所述至少两个层2’、3’每个包括第一、第二和第三凹口/凸起。第一层的第一凹口/凸起与第二层的第一凹口/凸起互锁，第一层的第二凹口/凸起与第二层的第二凹口/凸起互锁，且第一层的第三凹口/凸起与第二层的第三凹口/凸起互锁。这得到在平面E2、E3和E4中仅部分地彼此接触的层，也就是以至少两个部位30a’、31a’、30b’、31b’、30c’和31c’彼此接触，这些接触部位30a’、31a’、30b’、31b’、30c’和31c’以使得它们分别置于虚拟直线5a、5b和5c的对侧的方式布置，所述虚拟直线分别在凹口/凸起3a’、3b’和3c’的主方向上延伸。分别在平面E2、E3和E4中在对应的凹口/凸起2a’和3a’、2b’和3b’以及2c’和3c’之间未建立嵌入式联接。虚拟直线5a和5b以彼此成-10°至10°的角度延伸，而虚拟直线5c与虚拟直线5a和5b成80°至100°的角度延伸。

在图5中基于八种不同的示例分别示出第一层和第二层2、3的互锁的凹口/凸起2a、3a、2b、3b、2a’、3a’、2b’、3b’、2c’和3c’的可能设计。在图5a至图5d中的示例示出在其各接触平面中在凹口/凸起之间形成嵌入式联接的示例，而图5e至图5h所示的示例未在互锁的凹口/凸起之间形成嵌入式联接。为了使附图清楚，省略了可能用于定心螺栓或者用于控制所述层的正确组装的孔。图5a示出两个圆形的凹口/凸起如何互锁。圆形凹口/凸起2a、3b在周缘上彼此接触，如已在图3b和图3c中所示那样。

图5b示出三角形凹口/凸起2a，该三角形凹口/凸起2a与圆形凹口/凸起3a互锁，且以三角形的角与圆形凹口/凸起3a接触。这三个接触点足以在凹口/凸起2a和3a之间提供嵌入式联接。多边形的大量接触角也导致嵌入式联接，如在图5c的示例上所示。其中，正方形凹口/凸起与圆形凹口/凸起互锁，且以其四个角在接触平面中接触圆形凹口/凸起。为防止工具不必要地磨损，具有圆角的多边形与具有尖锐棱角的多边形相比是优选的。

图5d示出椭圆形凹口/凸起2a与圆形凹口/凸起互锁可也导致正配合(如果尺寸合适的话)。相反地，圆形凹口/凸起与椭圆形凹口/凸起的互锁仅能够导致互锁的凹口/凸起的局部接触，但不导致正配合，如下面图5e所示以及已如图3e至图3g中所示。

具有等边多边形形状(例如正方形)的凹口/凸起2b与椭圆形凹口/凸起3b的互锁会在角处形成接触部，如图5f所示，或者在侧边处形成接触部(未在此示出)。因此，采用哪种情况取决于凹口/凸起的相对方位。也可能两个椭圆形凹口/凸起2b、3b相互接合并且(如果其相应的宽度合适的话)沿着其侧边彼此接触。在该情况下，是否建立嵌入式联接取决于对凹口/凸起的各长度的选择。只要啮合凹口/凸起的外延伸小于容纳凹口/凸起的内延伸，则不导致嵌入式联接。

此外，图5h示出，当在没有嵌入式联接的情况下实现接合时，互锁的凹口/凸起的接触不必限于置于虚拟直线5b两侧的两个部分，而是可以有不同数量的接触部或者接触点，特别是在虚拟直线5b的两侧甚至具有不同的数量。

图6示出根据本发明的双极板1的一个实施例，其中，两个层的定位模压部以使其凸出超出板平面E的两侧的方式形成。例如，在上层中，形成具有高度h3x的凸起3a^*，该凸起3a^*(该图示出圆形的定位模压部)具有直径d3。在该圆形凸起3a^*内，布置有圆形凹口3a+，该圆形凹口3a+具有高度h3i，该高度h3i大于高度h3x，这表示凹口3a+相对于板平面E降低。除了凸起2a^*的直径d2之外，层2的定位模压部以类似的方式设计，该直径d2小于凸起3a^*的直径d3，使得上凸起2a^*、3a^*分别仅引起层中的高度比例的优化，但对于实际定位或者嵌入式联接没有贡献。图6还示出两个层中的定位模压部的总高度he基本上对应于通道结构4的总高度hf，使得定位模压部不损害在双极板的外部边缘的区域内的密封，但是该边缘在此未示出。

在图7所示的实施例中，双极板1示出三个层2、100和3。在接触区域23a和23b的区域内的中间层100分别呈现出凹部，其延伸足够大，以分别允许凹口3a和3b分别穿入到凹口2a和2b中。两个外层2、3的定位以前文中关于两层的实施例所述的方式实现，但是第三层被保持在它们之间。不论凹口2a、2b、3a、3b是否具有所示的通孔，这样的解决方法都是可能的。

图8示出在通道结构4的区域内使用激光束12将第一层2焊接至第二层3的示例。层2和层3都包括具有彼此焊接的部分的通道结构，所述部分例如为在图8中间的一个平放在另一个上的窄的部分。作为尺度的示例，第一层2的平坦部分的宽度在此被指定为200μm，而层3的接触面的宽度为170μm。在该区域内的激光束12的宽度为大约50μm。本发明提出，接触区域具有宽度为至少100μm的叠加区域，这引起被稳固地置于第一层2与第二层3之间的接触区域内的接合连结(焊接连接)，即使在激光束的路线稍微不精确的情况下也是如此。

为此，通过使用在此所描述的定位模压部以及前文所述的固定装置6的容纳部，分别使用相应的定心螺栓6a和6d使层2和3如图3a至图3g所示以层叠的方式布置，且所述层被相互焊接。

对前文中的示例的描述应仅理解为是示例性的。应当强调，在此所示的所有实施例的组合都在本发明的框架内，且从属权利要求的主题(只要不是被明确排除在外)能够以任何顺序组合。

Claims (21)

1.一种用于制造双极板(1)的方法，其中，在至少两个层(2、3)的每层中形成至少第一凹口/凸起和第二凹口/凸起(2a、2b、3a、3b)，且所述层(2、3)以层叠的方式定位，其特征在于：

所述第一层(2)的第一凹口/凸起(2a)和所述第二层(3)的第一凹口/凸起(3a)在所述两个层(2、3)的完全定位状态下彼此接合，且在平面E1中以嵌入方式彼此接触，并且，

所述第一层(2)的第二凹口/凸起(2b)和所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)在所述两个层(2、3)的完全定位状态下彼此接合，且在平面E2中仅部分地在至少两个部位(30b、31b)中彼此接触，

其中，所述接触部位(30b、31b)被置于可沿所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)的主方向延伸的虚拟直线(5b)的两侧，并且，其中在所述第二凹口/凸起(2b、3b)之间未建立嵌入式联接，并且，其中所述两个层(2、3)借助于粘结而彼此结合，而至少一个层的凹口/凸起被嵌套在定位装置(6)的互补的凸起/凹口(6c、6f)中。

2.一种用于制造双极板(1)的方法，其中，在至少两个层(2’、3’)的每一个中形成至少第一、第二和第三凹口/凸起(2a’、2b’、2c’、3a’、3b’、3c’)，且所述层(2’、3’)以层叠的方式定位，其特征在于：

所述第一层(2’)的第一凹口/凸起(2a’)和所述第二层(3’)的第一凹口/凸起(3a’)，所述第一层(2’)的第二凹口/凸起(2b’)和所述第二层(3’)的第二凹口/凸起(3b’)，以及所述第一层(2’)的第三凹口/凸起(2c’)和所述第二层(3’)的第三凹口/凸起(3c’)在所述两个层(2’、3’)的完全定位状态下彼此接合，且分别在平面E2、E3和E4中仅部分地在至少两个部分(30a’、31a’、30b’、31b’、30c’、31c’)中相互接触，其中，所述接触部分(30a’、31a’、30b’、31b’、30c’、31c’)被置于可沿所述第二层(3’)的相应凹口/凸起(3a’、3b’、3c’)的主方向延伸的虚拟直线(5a、5b、5c)的两侧，并且，其中在相应的凹口/凸起(2a’/3a’、2b’/3b’、2c’/3c’)之间未建立嵌入式联接，

其中，所述第一直线和第二直线(5a、5b)相互成-10°至10°的角度延伸，并且，其中所述第三直线(5c)与所述第一直线和第二直线(5a、5b)成80°至100°的角度延伸，

其中，所述至少两个层(2、3)通过粘结而相互结合，而至少一个层的凹口/凸起被嵌套在定位装置(6)的互补的凸起/凹口(6c、6f)中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少两个层(2、3、2’、3’)中，与所述凹口/凸起(2a、2a’、2b、2b’、2c’、3a、3a’、3b、3b’、3c’)在相同的步骤中形成通道结构(4)。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，至少一个凹口/凸起(2a、2a’、2b、2b’、2c’、3a、3a’、3b、3b’、3c’)包括通孔(2ax、2ax’、2bx、2bx’、2cx’、3ax、3ax’、3bx、3bx’、3cx’)，所述固定装置(6)的定心螺栓(6a、6d)通过该开口接合。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述层(2、3)由金属制成，且优选由钢构成。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，所述结合方法为胶粘或者焊接，优选为激光焊接。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，通过模压、深冲压、液压成形、绝热成形或者辊轧成形来形成所述凹口/凸起(2a、2a’、2b、2b’、2c’、3a、3a’、3b、3b’、3c’)和/或通道结构(4)。

8.一种双极板(1)，包括至少两个层(2、3)，其中，至少两个层(2、3)的每一层包括第一凹口/凸起和第二凹口/凸起(2a、2b、3a、3b)，其中，所述第一层(2)的第一凹口/凸起(2a)和所述第二层(3)的第一凹口/凸起(3a)在所述两个层(2、3)的完全定位状态下彼此接合，且在平面E1中以嵌入方式相互接触，并且，

所述第一层(2)的第二凹口/凸起(2n)和所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)在所述两个层(2、3)的完全定位状态下彼此接合，且在平面E2中仅部分地在至少两个部位(30b、31b)中相互接触，

其中，所述接触部位(30b、31b)被置于可沿所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)的主方向延伸的虚拟直线(5b)的两侧，并且，其中在所述第二凹口/凸起(2b、3b)之间未建立嵌入式联接。

9.一种双极板(1)，包括至少两个层(2’、3’)，其中，至少两个层(2’、3’)包括至少第一、第二和第三凹口/凸起(2a’、2b’、2c’、3a’、3b’、3c’)，其中，所述第一层(2’)的第一凹口/凸起(2a’)和所述第二层(3’)的第一凹口/凸起(3a’)，所述第一层(2’)的第二凹口/凸起(2b’)和所述第二层(3’)的第二凹口/凸起(3b’)，以及所述第一层(2’)的第三凹口/凸起(2c’)和所述第二层(3’)的第三凹口/凸起(3c’)在所述两个层(2’、3’)的完全定位状态下彼此接合，且分别在平面E2、E3和E4中仅部分地在至少两个部分(30a’、31a’、30b’、31b’、30c’、31c’)中相互接触，其中，所述接触部分(30a’、31a’、30b’、31b’、30c’、31c’)被置于可沿所述第二层(3)的相应凹口/凸起(3a’、3b’、3c’)的主方向延伸的虚拟直线(5a、5b、5c)的两侧，在所述平面E2、E3和E4中在相应的凹口/凸起(2a’/3a’、2b’/3b’、3a’/3b’)之间没有嵌入式联接，

其中，所述第一直线和第二直线(5a、5b)相互成-10°至10°的角度延伸，并且，其中所述第三直线(5c)与所述第一直线和第二直线(5a、5b)成80°至100°的角度延伸。

10.根据权利要求8或9所述的双极板，其特征在于，所述第一层(2)的凹口/凸起(2a、2b)对于所述第二层(3)的凹口/凸起(3a、3b)是自定心的。

11.根据权利要求8、9或10所述的双极板，其特征在于，所述第一层和/或第二层(2、3)的第一、第二凹口/凸起以及在适当情况下的第三凹口/凸起中的至少一个包括通孔(2ax、2bx、3ax、3bx、2ax’、2bx’、2cx’、3ax’、3bx’、3cx’)。

12.根据权利要求11所述的双极板，其特征在于，所述通孔(2ax、2bx、3ax、3bx、2ax’、2bx’、2cx’、3ax’、3bx’、3cx’)被布置成位于相应的凹口/凸起(2a、2b、3a、3b、2a’、2b’、2c’、3a’、3b’、3c’)的中心。

13.根据权利要求8至12之一所述的双极板，其特征在于，所述第一层和第二层(2、3)的第一凹口/凸起(2a、3a)每个具有圆形形状或者具有带有圆角的多边形形状。

14.根据权利要求8和10至13中任一项所述的双极板，其特征在于，所述第一层(2)的第二凹口/凸起(2b)是圆形的或者是具有圆角的多边形的，且所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)是椭圆形的。

15.根据权利要求9、11和12之一所述的双极板，其特征在于，所述第一层(2’)的至少所述第一、第二和第三凹口/凸起(2a’、2b’、2c’)是圆形的或者是具有圆角的多边形的，且所述第二层(3’)的第一、第二和第三凹口/凸起(3a’、3b’、3c’)是椭圆形的。

16.根据权利要求8至15之一所述的双极板，其特征在于，所述至少两个层(2、3)的至少一个具有通道结构(4)，且所述第二层(3)的第二凹口/凸起(3b)的主延伸方向(5)平行于所述通道结构(4)的主方向延伸。

17.根据权利要求8至16之一所述的双极板，其特征在于，所述至少两个层(2、3)的通道结构(4)在所述至少两个层(2、3)之间提供腔，特别是用于引导冷却剂介质的腔。

18.根据权利要求8至17之一所述的双极板，其特征在于，所述凹口/凸起(2a、3a)具有锥形形状。

19.根据权利要求18所述的双极板，其特征在于，所述第一层(2)的凹口/凸起的锥角(α2)大于或者小于第二层(3)的互补的凹口/凸起的锥角(α3)。

20.根据权利要求8至19之一所述的双极板，其特征在于，一个层(2或者3)的所述凹口/凸起(2a或者3a)比另一个层(3或者2)的所述凹口/凸起(3a或者2a)浅。

21.根据权利要求8至20之一所述的双极板，其特征在于，所述凹口/凸起(2a、2a’、2b、2b’、2c’、3a、3a’、3b、3b’、3c’)每个由指向与板平面E垂直的第一方向的第一凹口/凸起以及被布置在第一凹口/凸起内指向相反方向的第二凹口/凸起构成，其中，所述第二凹口/凸起相比所述第一凹口/凸起具有更大的深度。

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