本發(fā)明涉及用于電化學(xué)系統(tǒng)的金屬板,在該系統(tǒng)中金屬板包括至少一個(gè)測量結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
已知的電化學(xué)系統(tǒng),例如,燃料電池系統(tǒng)或諸如電解器的電化學(xué)壓縮器系統(tǒng),這樣的電化學(xué)系統(tǒng)通常包括堆疊的電化學(xué)電池,它們通過金屬雙極板彼此分開。所述雙極板通常包括兩個(gè)個(gè)別的金屬板,它們典型地互相焊接在一起并通常由金屬薄片制成。雙極板或構(gòu)成雙極板的個(gè)別板可用于例如電氣地接觸個(gè)別電化學(xué)電池(例如,燃料電池)的電極,和/或電氣地連接鄰近的電池(電池的串聯(lián)連接)。
雙極板或構(gòu)成雙極板的個(gè)別板可包括通道結(jié)構(gòu),該通道結(jié)構(gòu)適于向電池供應(yīng)一種或多種介質(zhì)和/或適于移去反應(yīng)產(chǎn)物。例如,介質(zhì)可以是燃料(例如,氫或甲醇)、反應(yīng)氣體(例如,空氣或氧氣)或冷卻劑。如此的通道結(jié)構(gòu)通常布置在電化學(xué)活性區(qū)(氣體分布結(jié)構(gòu)/流場)內(nèi)。此外,雙極板或構(gòu)成雙極板的個(gè)別板可適于傳遞在電化學(xué)電池內(nèi)轉(zhuǎn)換電能或化學(xué)能的過程中產(chǎn)生的余熱,并適于個(gè)別介質(zhì)或冷卻劑通道互相密封,和/或與外界相密封。上述的通道結(jié)構(gòu)和/或密封結(jié)構(gòu)(尤其是密封焊珠(bead)),通常借助于沖壓工具沖壓到個(gè)別板內(nèi)。類似結(jié)構(gòu)也存在于電化學(xué)系統(tǒng)的加濕器中使用的分離器板中。因此,以下關(guān)于雙極板和其個(gè)別板所要說的內(nèi)容也適用于加濕器中的分離器板。
已經(jīng)知道對每塊個(gè)別板或每塊雙極板提供一個(gè)或多個(gè)測量結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)是形成在板處或板上的結(jié)構(gòu),它們可被光學(xué)傳感器探測,并利用圖形或圖像識別軟件來建立起坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系以限定的方式相對于該板定向。所述坐標(biāo)系例如幫助測量該板,幫助自動地在工具內(nèi)定位該板,或幫助測量沖壓到板內(nèi)或施加到板內(nèi)的結(jié)構(gòu)。在工具內(nèi),板借助于測量結(jié)構(gòu)以限定的方式進(jìn)行定位, 該工具例如可以是連接工具、涂敷裝置或切割裝置,尤其是模切割或激光切割裝置。借助于相對于如此的測量結(jié)構(gòu)進(jìn)行的測量,可在限定的位置實(shí)施多個(gè)過程步驟,例如,定位激光焊接焊縫、對部分涂層定位絲網(wǎng)印刷等。
例如,從文獻(xiàn)DE 102012002053A1中可以了解到根據(jù)該類型的測量結(jié)構(gòu),在該文獻(xiàn)中,測量結(jié)構(gòu)被稱作測量特征(測量標(biāo)志)。在特別的實(shí)施例中,根據(jù)DE 102012002053A1的測量特征基本上是圓形凹腔,其布置在板上的升高部分內(nèi)。利用已知的光學(xué)測量系統(tǒng),如此的圓形凹腔便可容易地局部化,并被確定它們的中心點(diǎn)。
使所述測量結(jié)構(gòu)局部化的光學(xué)測量系統(tǒng)包括例如用來照明該測量結(jié)構(gòu)的光源,以及用來捕捉帶有布置在板上的測量結(jié)構(gòu)的板的圖像的圖像探測器,其中,光源和照相機(jī)布置在板的同一側(cè)上(反射光法)。然而,當(dāng)使用反射光法來捕捉圖像時(shí),由于照明的條件、板表面材料的光學(xué)特性,或板表面上涂層的光學(xué)特性和/或板表面的幾何特性,使測量結(jié)構(gòu)局部化的精度可以降低。
透射光法是使測量結(jié)構(gòu)局部化的更加強(qiáng)健的方法。利用透射光法,測量結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)通孔,光源和圖像探測器布置在板的不同側(cè)上,這樣,光源發(fā)射的光通常通過正交于板的主平面的通孔,并被板相對側(cè)上的圖像探測器探測到。在透射光法中,與反射光法相比,用改進(jìn)的對比,因此通常可捕捉到測量結(jié)構(gòu)的圖像。然而,為了形成具有通孔的測量結(jié)構(gòu),迄今為止,必須在附加的制造步驟中沖切出通孔。另一方面,如果在沖切過程中沖切出通孔,則在沖切工具內(nèi)形成附加的沖切廢料。該過程中產(chǎn)生的沖切小塊會永久地?fù)p壞該沖切工具。
如果在形成其余沖切結(jié)構(gòu)的過程步驟之外的過程步驟中形成測量結(jié)構(gòu),則在這些兩種類型結(jié)構(gòu)之間會發(fā)生偏置,偏置會阻礙可靠的定位,或甚至使得定位不可能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
因此,本發(fā)明的目的是形成具有至少一個(gè)測量結(jié)構(gòu)的金屬板,該板適于用在電化學(xué)系統(tǒng)內(nèi),該板以盡可能簡單和成本有效的方式進(jìn)行制造,并允許以盡可能簡單的方式使測量結(jié)構(gòu)局部化,特別相對于板的其它結(jié)構(gòu),具有盡可能 高的精度。
用適用于根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)系統(tǒng)的金屬板來達(dá)到所述目的。具體的實(shí)施例表征在從屬的權(quán)利要求中。
因此,本發(fā)明提出的是一種用于電化學(xué)系統(tǒng)的金屬板。該板包括至少一個(gè)測量結(jié)構(gòu),其與板形成為單件。測量結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)通過板的切口,板的第一變形布置在切口之間并被切口部分地界定,使得切口的切割邊緣通過第一變形部分地彼此間距開,切割邊緣在板內(nèi)形成至少兩個(gè)窗口。測量結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括板的至少一個(gè)第二變形,其中,通過板鄰近于窗口的區(qū)域內(nèi)的第二變形使得板變形,這樣,窗口允許正交于板的主平面落在板上的光線通過。
由于窗口借助于通過板的切口和板的第一和第二變形而形成,在窗口形成時(shí)沒有產(chǎn)生沖切廢料。這意味著切割板來特別地形成切口并不涉及切屑,因此與材料的移除無關(guān)。當(dāng)板在沖切工具內(nèi)進(jìn)行沖切時(shí),因此可形成測量結(jié)構(gòu)。這減少制造板和測量結(jié)構(gòu)所需的步驟數(shù)量。
通過形成窗口以允許正交于板的主平面落在板上的光線通過,測量結(jié)構(gòu)通過透射光法可進(jìn)行局部化。這允許以非常高精度執(zhí)行局部化,且很大程度上獨(dú)立于照明條件和金屬板的表面條件。尤其是,窗口以這樣的方式形成,即:對于每個(gè)窗口來說,形成窗口邊緣并在截面中達(dá)到窗口的板的切割邊緣平行于板的主平面而彼此間距開。沿著切割的路線,切割邊緣通常彼此移離開,然后又彼此靠攏。因此,窗口在板內(nèi)形成通孔,通孔投射在平行于板的主平面的平面上的投影具有不同于零的面積,垂直地落在板上的光線通過這些通孔可通過該窗口。當(dāng)借助透射光法捕捉測量結(jié)構(gòu)的圖像時(shí),形成窗口邊緣的板的邊緣產(chǎn)生特別明顯的對比,這允許測量結(jié)構(gòu)有特別良好的局部化。
在沖切板時(shí),可以特別地形成測量結(jié)構(gòu)的切口和其它元件,從而使它們相對于沖切結(jié)構(gòu)的定位始終保持相同。許多沖切或切割結(jié)構(gòu)經(jīng)常在以后的制造步驟中形成在相對于所述測量結(jié)構(gòu)的規(guī)定位置處。
金屬板可以特別地用于電化學(xué)系統(tǒng)的個(gè)別板或雙極板,如上所述,電化學(xué)系統(tǒng)包括兩個(gè)連接的個(gè)別板。例如,金屬板可包括不銹鋼或由不銹鋼形成。金屬板可至少在某些區(qū)域內(nèi)被附加地涂覆。對于正交于板的主平面確定的厚度D來說,可保持以下的關(guān)系:50μm≤D≤150μm,最好是65μm≤D≤100μm。
第一變形可形成相對于板的主平面突起的區(qū)域。該突起區(qū)域可全部相對于板的主平面突起,即,可以完全與板的主平面間距開。正交于板的主平面確定的突起區(qū)域的高度H可以沿著突起區(qū)域或在突起區(qū)域內(nèi)變化。尤其是,通過正交于板的主平面作用在板上的變形力,可以形成突起區(qū)域或可以已經(jīng)形成突起區(qū)域,例如,形成在沖切工具內(nèi)。
對于突起區(qū)域的最大高度H來說,該最大高度H沿著正交于板的主平面的第一方向確定,并從板的主平面的高度進(jìn)行確定,可保持如下的關(guān)系:100μm≤H≤700μm,最好是200μm≤H≤400μm,特別優(yōu)選的是250μm≤H≤350μm。相對于板的厚度D,對于突起區(qū)域最大高度H可保持以下關(guān)系:D≤H≤10D,最好是2D≤H≤6D,特別優(yōu)選的是2.5D≤H≤5D。對于突起區(qū)域的面積F,可保持如下的關(guān)系:0.5mm2≤F≤50mm2,最好是2mm2≤F≤20mm2。
第二變形造成橫向于光透射方向(因此例如平行于板的主平面)的窗口區(qū)域?qū)嶋H上打開,以使第二變形能使光線通過測量結(jié)構(gòu)的窗口。第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形可與窗口間距開,即,最好沿著平行于板的主平面的方向,且正交于或基本上正交于形成所討論的窗口的切口的縱向方向或正交于界限所討論的窗口的板邊緣。這意味著這里的一個(gè)或多個(gè)第二變形最好不由達(dá)到窗口的邊緣的多個(gè)彎曲組成。第二變形也可以是正交于板的主平面的板變形,或第二變形包括正交于板的主平面的變形。換句話說,通過正交于板的主平面的作用在板上的變形力(例如,形成在沖切工具內(nèi)),也可形成板的第二變形,或可以已經(jīng)形成第二變形。當(dāng)測量結(jié)構(gòu)形成時(shí),板鄰近于窗口的區(qū)域內(nèi)的板材料通常由于第二變形而朝向第二變形被曳拉,板材料與窗口間距開。在該過程中,窗橫向于透射光方向而打開,因此例如平行于板的主平面。這樣做的結(jié)果是,對于每個(gè)窗口來說,形成窗口邊緣的板邊緣至少在平行于板的主平面的區(qū)域內(nèi)間距開,就如上文中所描述的。
第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形可形成在由第一變形所形成的突起區(qū)域內(nèi)。這意味著,在該情形中,第二變形通常是以調(diào)制突起區(qū)域高度H的形式給出的。替代地或附加地,第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形也可形成在由第一變形形成的突起區(qū)域外面。
例如,板的第二變形或板的第二變形中的至少一個(gè)變形可形成包圍第一 變形的曲線,最好是閉合曲線,特別是呈形成閉環(huán)的溝的形狀。例如,第二變形在該情形中可以形成為包圍第一變形或突起區(qū)域的環(huán)形溝,或可以形成為包圍第一變形或突起區(qū)域的焊珠。
沿正交于板的主平面的方向通過第一變形可使板變形。換句話說,第一變形可包括正交于板的主平面的板的變形。然后通過第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形沿正交于板的主平面并與第一方向相對的第二方向可使板變形。換句話說,第二變形可包括正交于板的主平面的板的變形。原則上,同樣可以想象到,通過第一變形和第二變形,板可沿著正交于板的主平面的同樣方向變形。換句話說,第一變形和第二變形可各自包括沿著正交于板的主平面的同樣方向的板的變形。如果第二變形在被第一變形覆蓋的區(qū)域之外形成的話,那么這是特別有可能的。
如果切口或窗口彼此對稱地布置,則測量結(jié)構(gòu)可以特別好的精度以特別容易的方式局部化。例如,同一測量結(jié)構(gòu)的形成窗口的切口可以具有相同的長度,至少是成對的方式。還有,同一測量結(jié)構(gòu)的所有切口可以具有相同的長度。
在特殊的實(shí)施例中,例如,測量結(jié)構(gòu)可包括兩個(gè)具有相同長度的切口,它們彼此平行地定向并互相相對,即,當(dāng)沿著正交于切口縱向方向的方向觀看時(shí),兩個(gè)切口是一致的。在兩個(gè)切口之間,通常保持兩個(gè)腹板的材料。
在另一實(shí)施例中,測量結(jié)構(gòu)可包括三個(gè)或更多個(gè)切口,它們最好全都具有相同的長度。如此的切口在任何進(jìn)一步變形之前可以這樣的方式布置,即:所有它們的外切割邊緣和所有它們的內(nèi)切割邊緣形成位于公共圓上的圓弧。一旦第一和第二變形已經(jīng)發(fā)生,要么是所有它們的外切割邊緣形成位于公共圓上的圓弧,要么是所有它們的內(nèi)切割邊緣形成位于公共圓上的圓弧。這里,外切割邊緣通常意指界限朝向板的主平面的窗口的那些切割邊緣。相比之下,內(nèi)切割邊緣通常意指界限朝向第一變形的窗口的那些切割邊緣,例如,朝向由第一變形形成的測量結(jié)構(gòu)的突起區(qū)域。在兩個(gè)鄰近圓弧的每條圓弧之間,留下某些材料形成腹板,腹板將由圓內(nèi)的第一變形形成的突起區(qū)域連接到包圍突起區(qū)域的板的區(qū)域。如果n是切口數(shù),或n是測量結(jié)構(gòu)的窗口數(shù),則弧形切口或窗口邊緣可形成和布置成關(guān)于圍繞圓心的轉(zhuǎn)動展現(xiàn)n倍的對稱性。這意味著,通過相對于測量結(jié)構(gòu)的對稱軸轉(zhuǎn)動角度α=2π/n(弧度度量),可使測量結(jié)構(gòu)與自 身相符,其中,n是自然數(shù),n≥2。測量結(jié)構(gòu)的對稱軸通常正交于板的主平面定向。
界限窗口的板的內(nèi)或外切割邊緣因此可以布置成在板的主平面內(nèi)形成閉弧的諸段,其中,閉弧最好是圓、橢圓或正多邊形。如果條件符合所有的至少一個(gè)第二變形形成在由第一變形所形成的突起區(qū)域之外,則內(nèi)切割邊緣較佳地是閉弧的諸段。
為了達(dá)到所定義的線(尤其是圓),第二變形最好唯獨(dú)地形成在由第一變形所形成的突起區(qū)域之內(nèi),或者唯獨(dú)地形成在由第一變形所形成的突起區(qū)域之外。
對于切口的長度L來說,或是界限窗口的切割邊緣的長度L來說,可保持如下的關(guān)系:0.2mm≤L≤10mm,最好是0.5mm≤L≤3mm。對于金屬板的厚度D來講,可對長度L保持如下的關(guān)系:2D≤L≤140D,最好是5D≤L≤40D。對于投射在平行于板的主平面的平面上的各個(gè)窗口的投影面積A,可保持如下的關(guān)系:0.01mm2≤A≤5mm2,最好是0.03mm2≤A≤2mm2。
金屬板可包括在板表面處或板表面上形成閉弧的第一密封焊珠和/或密封焊縫。密封焊珠和/或密封焊縫沿著板的外邊緣走向并與板的外邊緣間距開,并用作使板與外界密封的結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)應(yīng)用中,圍繞著個(gè)別開口存在著其它的密封焊珠和/或密封焊縫,但它們沒有測量結(jié)構(gòu)的定位那樣重要。測量結(jié)構(gòu)可布置在由第一焊縫和/或密封焊珠形成的閉弧外面。替代地或附加地,測量結(jié)構(gòu)也可布置在由第一焊縫和/或密封焊珠形成的閉弧之內(nèi)。在該情形中,測量結(jié)構(gòu)最好布置在第二焊縫和/或密封焊珠之內(nèi),其同樣形成閉弧,第二焊縫和/或密封焊珠完全被第一焊縫和/或密封焊珠包圍。這意味著測量結(jié)構(gòu)像孤島一樣通過第二焊縫和/或密封焊珠與由第一焊縫和/或密封焊珠包圍的金屬板區(qū)域分開。
金屬板可包括多個(gè)上述類型的測量結(jié)構(gòu),例如,兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)測量結(jié)構(gòu)。例如,該板可包括四個(gè)上述類型的測量結(jié)構(gòu),它們以這樣的方式布置在板處或板上,即:四個(gè)測量結(jié)構(gòu)形成矩形的四個(gè)角。尤其是,三個(gè)或四個(gè)測量結(jié)構(gòu)將能使整個(gè)板達(dá)到完全的測量和/或定位。然而,也可想象更多數(shù)量的測量結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于電化學(xué)系統(tǒng)的金屬雙極板,其中,雙極板包括上述類型的第一金屬板以及連接到第一金屬板的第二金屬板。一般地,第一和第二金屬板在區(qū)域內(nèi)彼此焊接在一起。第二板和第一板可由同樣類型的金屬片制成。尤其是,兩個(gè)板可由相同材料制成并具有相同的厚度。
第二板然后最好包括至少一個(gè)切口或孔,例如,呈通孔的形狀,例如是沖切孔,和/或呈第二板邊緣內(nèi)的凹陷形狀。然后,第一板的測量結(jié)構(gòu)和第二板內(nèi)的孔最好以這樣的方式相對于彼此形成和布置,即:雙極板允許正交于板的主平面落在雙極板上的光線通過。這意味著第一板的測量結(jié)構(gòu)的窗口然后以這樣的方式鄰近于第二板中的孔布置,即:正交地落在窗口區(qū)域內(nèi)板的主平面上的光線經(jīng)由第一板的窗口和第二板內(nèi)的孔可通過雙極板。這允許通過透射光法來測量雙極板。
該實(shí)施例的進(jìn)一步研發(fā)結(jié)果允許在雙極板的兩個(gè)個(gè)別板內(nèi)提供測量結(jié)構(gòu)。為此目的,在由兩個(gè)個(gè)別板組裝起來的雙極板的至少一個(gè)第一區(qū)域內(nèi),第一個(gè)別板包括如上所述的測量結(jié)構(gòu),而第二個(gè)別板包括如上所述的孔,該孔讓第一個(gè)別板的測量結(jié)構(gòu)可見。在由兩個(gè)個(gè)別板組裝起來的雙極板的至少一個(gè)第二區(qū)域內(nèi),第二個(gè)別板包括如上所述的測量結(jié)構(gòu),而第一個(gè)別板包括如上所述的孔,該孔讓第二個(gè)別板的測量結(jié)構(gòu)可見。這允許通過透射光法來測量雙極板的兩個(gè)個(gè)別板以及雙極板。
本發(fā)明還涉及一種在透射光法過程中使測量結(jié)構(gòu)局部化的測量裝置。該測量裝置包括:
上述類型的金屬板或金屬雙極板;
光源;以及
光學(xué)探測器,尤其是圖像探測器;
其中,光源和光學(xué)探測器布置在板的相對兩側(cè)上并被板分開;并且
其中,光學(xué)探測器布置和適于探測光源發(fā)射并經(jīng)由測量結(jié)構(gòu)的窗口穿過該板的光線。
光源可包括例如白光源。光學(xué)探測器可包括例如照相機(jī)。光學(xué)探測器可適于記錄圖像數(shù)據(jù)。一般地,測量結(jié)構(gòu)還包括評價(jià)單元,其可連接到光學(xué)探測器并適于根據(jù)圖像數(shù)據(jù)來確定板的一個(gè)或多個(gè)測量結(jié)構(gòu)的位置。評價(jià)單元還可 適于根據(jù)測量結(jié)構(gòu)的位置來定義相對于板固定的坐標(biāo)系。
根據(jù)與目前提出的保護(hù)主題相關(guān)的第一方面,一種制造如上所述金屬板的方法,例如,包括至少如下的步驟:
制造通過金屬板的至少兩個(gè)切口;
在通過板的切口之間形成金屬板的第一變形,其中,制作切口通過板,第一變形以這樣的方式形成,即:切口或切口的切割邊緣將第一變形界限在至少某些區(qū)域內(nèi),而且一個(gè)切口的切割邊緣一起形成板內(nèi)的一個(gè)窗口;以及
在板鄰近于窗口的區(qū)域內(nèi),或在板鄰近于多個(gè)窗口的多個(gè)區(qū)域內(nèi),形成金屬板的至少一個(gè)第二變形,其中,第二變形以這樣的方式形成,即:在鄰近于窗口的區(qū)域內(nèi),或在鄰近于多個(gè)窗口的多個(gè)區(qū)域內(nèi),板發(fā)生變形,使得窗口允許正交于板的主平面落在板上的光線通過。
以上和以下描述的方法步驟還可以不同于這里描述的順序的另外順序執(zhí)行。
根據(jù)本方法的第二方面,例如,該方法包括至少第一方面的步驟,第一變形可以這樣的方式形成,即:由第一變形形成相對于板的主平面突起的區(qū)域。
根據(jù)本方法的第三方面,例如,該方法包括至少第二方面的步驟,第一變形可以這樣的方式形成,即:突起區(qū)域全都相對于板的主平面突起。
根據(jù)本方法的第四方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形可以這樣的方式形成,即:第二變形與窗口間距開。
根據(jù)本方法的第五方面,例如,該方法包括至少方面2至4中的一個(gè)方面的步驟,第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形可以形成在由第一變形形成的突起區(qū)域內(nèi)。
根據(jù)本方法的第六方面,例如,該方法包括至少方面2至4中的一個(gè)方面的步驟,第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形可以形成在由第一變形形成的突起區(qū)域外面。
根據(jù)本方法的第七方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,板的第二變形或板的第二變形中的至少一個(gè)變形可以這樣的方式形成,即:第二變形形成包圍第一變形的曲線,尤其是呈形成包圍第一變形的閉 環(huán)的溝形狀。閉弧可以是例如環(huán)形的。
根據(jù)本方法的第八方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,第一變形可以這樣的方式形成,即:沿正交于板的主平面的第一方向通過第一變形使板變形。替代地或附加地,第二變形可以這樣的方式形成,即:沿正交于板的主平面并與第一方向相對的第二方向通過第二變形或第二變形中的至少一個(gè)變形使板變形。
根據(jù)本方法的第九方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,可在板內(nèi)制成切口,或者窗口可以這樣的方式形成,即:諸窗口相對于彼此對稱地布置。
根據(jù)本方法的第十方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,切口可制成在板內(nèi),窗口可以這樣的方式形成,即:由第一變形來界限窗口的板的內(nèi)切割邊緣,或由板的主平面來界限窗口的板的外切割邊緣布置成在板的主平面內(nèi)形成閉弧的諸段,其中,閉弧較佳地是圓、橢圓或正多邊形。
根據(jù)本方法的第十一方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,可以這樣的方式在板內(nèi)形成切割邊緣,即:對于切割邊緣的長度L保持如下的關(guān)系:0.2mm≤L≤10mm,最好是0.5mm≤L≤3mm。
根據(jù)本方法的第十二方面,例如,該方法包括至少方面2至11中的一個(gè)方面的步驟,由第一變形形成的突起區(qū)域可以這樣的方式形成,即:對于突起區(qū)域的面積F保持如下的關(guān)系:0.5mm2≤F≤50mm2,最好是2mm2≤F≤20mm2。
根據(jù)本方法的第十三方面,例如,該方法包括至少方面2至12中的一個(gè)方面的步驟,由第一變形形成的突起區(qū)域可以這樣的方式形成,即:對于突起區(qū)域的最大高度H,該最大高度H沿著正交于板主平面的第一方向確定,并從板的主平面的高度進(jìn)行確定,保持如下的關(guān)系:100μm≤H≤700μm,最好是200μm≤H≤400μm,特別優(yōu)選的是250μm≤H≤350μm。
根據(jù)本方法的第十四方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,諸窗口或諸窗口中的至少一個(gè)窗口可以這樣的方式形成,即:窗口或窗口中的每個(gè)窗口對板的主平面的投影具有面積A,其中,保持如下的關(guān)系:0.01mm2≤A≤5mm2,最好是0.03mm2≤A≤2mm2。
根據(jù)本方法的第十五方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方 面的步驟,形成閉弧的密封焊縫和/或密封焊珠可形成在板處或板上,其中,測量結(jié)構(gòu)可以這樣的方式形成在板中,即:測量結(jié)構(gòu)布置在由密封焊縫和/或密封焊珠形成的閉弧外面。
根據(jù)本方法的第十六方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,四個(gè)測量結(jié)構(gòu)可形成在板內(nèi),這可以這樣的方式進(jìn)行,即:四個(gè)測量結(jié)構(gòu)形成矩形的四個(gè)角。
根據(jù)本方法的第十七方面,例如,該方法包括至少前述方面中的一個(gè)方面的步驟,制作切口和形成第一和/或第二變形可由組合的切割/沖切工具來執(zhí)行,最好是在單個(gè)工具行程中執(zhí)行。
根據(jù)本方法的第十八方面,可形成用于電化學(xué)系統(tǒng)的金屬雙極板或分離器板。為此目的,根據(jù)前述方面中的一個(gè)方面的第一金屬板可制造并連接到第二金屬板??稍诘诙饘侔逯兄谱魍?,尤其是沖切的孔。替代地或附加地,凹陷可形成在第二金屬板的外邊緣處。通孔或凹陷可以這樣的方式制作在第二金屬板內(nèi),或可以這樣的方式形成,和/或第一和第二板可以這樣的方式連接,即:通孔或凹陷的邊緣相對于第一金屬板的測量結(jié)構(gòu)窗口的邊緣向外偏置,使得雙極板或分離器板允許正交于雙極板或分離器板的主平面落在雙極板或分離器板上的光線在第一金屬板的窗口區(qū)域內(nèi)穿過。
附圖說明
本發(fā)明實(shí)施例顯示在附圖中,并在以下的描述中進(jìn)行更加詳細(xì)的解釋。在這些實(shí)施例中,相同的或類似的元件用相同的或類似的附圖標(biāo)記表示,這樣,對它們的部分解釋將不再重復(fù)。對于以下的實(shí)施例,在不同的組合中給出本發(fā)明多個(gè)有利的特征。然而,這些個(gè)別的特征也可單獨(dú)地改進(jìn)本發(fā)明,因此,不與相應(yīng)實(shí)施例的其余特征相組合。附圖中:
圖1示出具有堆疊的金屬雙極板的電化學(xué)系統(tǒng);
圖2示出具有兩個(gè)金屬雙極板的電化學(xué)電池;
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板的平面圖;
圖4至7示出根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板的測量結(jié)構(gòu)的斜視圖;
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板的測量結(jié)構(gòu)的平面圖;
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板的測量結(jié)構(gòu)的斜視圖;
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的測量裝置;以及
圖11a-圖11d在四個(gè)局部圖中示出根據(jù)本發(fā)明的金屬雙極板的測量結(jié)構(gòu)的制造步驟。
具體實(shí)施方式
圖1示出電化學(xué)系統(tǒng)1,例如,電化學(xué)系統(tǒng)1由電氣地串聯(lián)連接的氫燃料電池構(gòu)成。在替代的實(shí)施例中,系統(tǒng)1例如也可以是電化學(xué)壓縮器或電解器。它們在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒有差別,但尤其是關(guān)于流體供應(yīng)到薄膜電極組件(MEA)或從其中排出,以及分別關(guān)于電能的產(chǎn)生或供應(yīng)??杀葦M的設(shè)計(jì)也可在用于電化學(xué)系統(tǒng)的加濕器中遇到,然而,其中,分離器板取代了雙極板,并用水交換薄膜來代替薄膜電極組件。
電化學(xué)系統(tǒng)1包括堆疊2,該堆疊2具有多個(gè)金屬雙極板,并具有用來將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)電池,各個(gè)電池布置在鄰近的雙極板之間。電化學(xué)電池電氣地串聯(lián)連接。堆疊2的雙極板和電池沿著Z方向5堆疊并布置在兩個(gè)端板3和4之間。X方向6和Y方向7結(jié)合了Z方向5,形成了右手笛卡爾坐標(biāo)系。堆疊2的雙極板的板平面各自平行于X-Y平面定向。沿著Z方向5,堆疊2的雙極板和電池借助端板3和4放置在機(jī)械壓力之下,并且例如借助于螺釘或緊固螺栓(未示出)保持在一起。
端板4包括多個(gè)端口8,液體和/或氣體介質(zhì)可通過端口8供應(yīng)到電化學(xué)系統(tǒng)1,和/或液體和/或氣體介質(zhì)可通過端口8從電化學(xué)系統(tǒng)1排出。例如,燃料(例如,氫氣)、反應(yīng)氣體(例如,氧氣)以及用來冷卻系統(tǒng)1的冷卻劑可通過該端口8供應(yīng)到系統(tǒng)1。此外,諸如水和耗盡氧氣的空氣的反應(yīng)產(chǎn)物以及被加熱的冷卻劑可通過端口8從系統(tǒng)1中排出。
圖2示出圖1的堆疊2中的兩個(gè)鄰近的雙極板9和10。這里和下文中,重現(xiàn)的特征用相同的附圖標(biāo)記表示。在雙極板9和10之間,布置了薄膜電極組件11,該組件11是與雙極板9、10界圍的電化學(xué)電池的一部分。
圖3示出圖2的堆疊2的金屬雙極板9,在平面圖中,它平行于X-Y平面定向。雙極板9包括在區(qū)域內(nèi)彼此焊接的兩個(gè)個(gè)別板9a和9b;在圖3中只 示出了第一塊個(gè)別板9a,其遮住了第二塊個(gè)別板9b。個(gè)別板9a、9b由不銹鋼制成,并具有厚度D,厚度D是正交于板的主平面限定的,因此是沿著Z方向限定的,厚度例如為75μm或100μm。
雙極板包括開口12,開口12與圖1的堆疊2的其它雙極板中的對應(yīng)開口對齊,并形成用來沿著堆疊方向傳輸介質(zhì)的導(dǎo)管。為了密封開口12并形成所述的導(dǎo)管,開口12各自用密封布置13來封閉。密封布置13例如可形成為密封焊珠和/或密封焊縫。以此方式形成的導(dǎo)管例如與圖1的端板4的端口8流體地連通。
圖3中所示的雙極板9的部分板9a而且還包括適于密封區(qū)域15的另一密封布置14,區(qū)域15完全被密封布置14封閉住而與系統(tǒng)1的環(huán)境隔絕。密封布置14也可形成為密封焊珠和/或密封焊縫。在區(qū)域15的中央矩形的次區(qū)域16內(nèi),部分板9a包括多個(gè)突起,它們正交地從板的平面突出。介于堆疊2的鄰近的雙極板9和10之間的次區(qū)域16代表電化學(xué)的活性區(qū),該區(qū)域用來將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。這里,電池是燃料電池。形成在次區(qū)域16各個(gè)突起之間的通道用來引導(dǎo)燃料或反應(yīng)氣體供應(yīng)到電化學(xué)電池的電化學(xué)活性區(qū)16。
在被密封布置14封閉的區(qū)域15之外,個(gè)別板9a包括四個(gè)測量結(jié)構(gòu)17。在該情形中,測量結(jié)構(gòu)17形成為同樣的。測量結(jié)構(gòu)17布置在個(gè)別板9a處或在個(gè)別板9a上,以形成矩形。有了合適的測量裝置,便可確定測量結(jié)構(gòu)的位置并用來建立起坐標(biāo)系,坐標(biāo)系相對于個(gè)別板9a或雙極板9固定地定向。所述坐標(biāo)系然后可幫助測量個(gè)別板9a或雙極板9。借助于所述坐標(biāo)系,例如,可以確定存在于個(gè)別板9a內(nèi)的結(jié)構(gòu)相對于彼此或相對于個(gè)別板9a的位置或布置。所述結(jié)構(gòu)例如可以是沖切到個(gè)別板9a內(nèi)的通道結(jié)構(gòu)、密封布置13、14、開口12,或板9a或雙極板9的外邊緣。
個(gè)別板9a或雙極板9當(dāng)然還可包括較大數(shù)量或較少數(shù)量的測量結(jié)構(gòu)17。同樣可以想象到,在替代的實(shí)施例中,某些的或所有的測量結(jié)構(gòu)17布置在區(qū)域15內(nèi),被個(gè)別板9a的密封結(jié)構(gòu)14封閉。測量結(jié)構(gòu)17然后也方便地被類似的密封布置封閉住,以便密封它們與區(qū)域15隔絕,例如,用密封焊珠或密封焊縫進(jìn)行密封。
在圖4至9中,圖3中所示的測量結(jié)構(gòu)17的可能實(shí)施例顯示有已經(jīng)打開 的窗口18。
根據(jù)圖4的測量結(jié)構(gòu)17與不銹鋼的個(gè)別板9a形成為單一件,并通過組合的切割和沖切過程進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)圖4的測量結(jié)構(gòu)17包括中央?yún)^(qū)域20,其沿著Z方向5突起并與個(gè)別板9a的主平面間距開,并借助三個(gè)腹板19連接到個(gè)別板9a的主平面。個(gè)別板9a的主平面平行于X-Y平面定向。在各對相鄰的腹板19之間,窗口18形成在個(gè)別板9a內(nèi)。測量結(jié)構(gòu)17因此包括三個(gè)腹板19和三個(gè)窗口18。窗口18由板9a內(nèi)的切割邊緣18a、18b界限。只是為了清晰起見,在圖4中只對其中一個(gè)窗口18明確地突出強(qiáng)調(diào)了切割邊緣18a、18b。邊緣18a界限朝向突起區(qū)域20的窗口18。邊緣18b界限朝向個(gè)別板9a的主平面和朝向鄰近腹板19的窗口18。
突起區(qū)域20代表個(gè)別板9a沿正向Z方向5的第一變形,Z方向5即正交于個(gè)別板9a的主平面。為了形成窗口18、腹板19和突起區(qū)域20,首先用兩側(cè)上的切割邊緣18a、18b形成切口,例如,用組合的切割/沖切工具的切割幾何形。關(guān)鍵的是,通過形成切割邊緣18a、18b來形成窗口18,沒有材料從個(gè)別板9a中除去。這樣,在切割/沖切工具中可實(shí)施測量結(jié)構(gòu)17的形成,而不產(chǎn)生附加的沖切碎塊。
在圖4的實(shí)例中,窗口18的外切割邊緣18b位于封閉突起區(qū)域20的圓上。三個(gè)切割邊緣18b因此形成圓弧,每個(gè)圓弧延伸在一定的角度上。如果某人觀看界定鄰近腹板19的切割邊緣18b的各段,則它們在環(huán)段上的延伸是有效的,至少如果它們突出在個(gè)別板9a的主平面上的話。為了形成腹板19,在兩個(gè)鄰近切割邊緣18b之間,不切割該圓。因此,三個(gè)腹板19和三個(gè)切割邊緣18b關(guān)于圓心對稱地布置,并具有3倍的對稱性。因此,包括切割邊緣18b和布置在切割邊緣18b之間的腹板19在內(nèi)的布置可通過圍繞圓心的轉(zhuǎn)動(這里例如,轉(zhuǎn)過120度)與其自身相一致。這里切割邊緣18b各自具有大約0.8mm的長度。近似為圓形的突起區(qū)域20因此具有約為2mm2的面積F,該面積是平行于板9a的主平面來確定的。
在替代的實(shí)施例中,例如,突起區(qū)域20還可呈橢圓的形式或正多邊形的形式,最好是具有偶數(shù)條邊的正多邊形。如果沿著多邊形每隔一條邊作出具有切割邊緣18a、18b的切口,則在具有偶數(shù)條邊的正多邊形的情形中,測量結(jié) 構(gòu)17將包括相等數(shù)量的腹板和窗口。
構(gòu)造測量結(jié)構(gòu)的過程圖示在圖11中的四個(gè)副圖11a-11d中。這里的圖示局限于其中形成測量結(jié)構(gòu)的板的區(qū)域。
在圖11-a中,圖中只示出將待要成形的不銹鋼板放置到工具的上部50和下部55之間的個(gè)別板9a內(nèi)。
在圖11-b中,工具的上部50和下部55會聚到一點(diǎn),那里,它們的尖邊緣50a和55a的角擱置在板9a的表面上,但還沒有變形。在其它兩個(gè)突出強(qiáng)調(diào)的區(qū)域50b/55b和50c/55c中,不是工具的上部50和工具的下部55兩者與板9a間距開,就是至少工具的下部55與板9a間距開。
在圖11-c中,工具的兩個(gè)部分50和55甚至更進(jìn)一步會聚。這樣,工具邊緣50a和55a已經(jīng)形成了切口28。還在所示部分的右手區(qū)域內(nèi),與圖11-b比較可以看到變化:工具的上部在朝向工具下部的部分55c的區(qū)域50c內(nèi)已經(jīng)使該板變形,形成了傾斜部分27,該傾斜部分27在完成的測量結(jié)構(gòu)內(nèi)將形成腹板19(見圖4)。沿著切割邊緣18a的方向接界傾斜部分27的區(qū)域已經(jīng)構(gòu)成了第一變形的前導(dǎo)。
除了作出三個(gè)切口,每個(gè)切口具有切割邊緣18a、18b,同一工具沿正向Z方向5的行程將變形力作用在個(gè)別板9a上,以形成突起區(qū)域20,例如,借助于組合的切割/沖切工具的進(jìn)一步?jīng)_切50來形成,該工具對應(yīng)地成形并指向正向Z方向5。在兩個(gè)相鄰切割邊緣18a、18b之間的區(qū)域內(nèi)(見圖4),該區(qū)域未被切割,板9a的材料因此主要沿著Z方向5伸展。該伸展產(chǎn)生腹板19,腹板使突起區(qū)域20與板9a的主平面連接。與腹板19和突起區(qū)域20一起,三個(gè)窗口18通過沖切過程形成;然而,在如圖11-c所示的半完成狀態(tài)中,窗口唯獨(dú)地指向Z方向,因此不允許光線沿Z方向通過。
圖11-d示出成形過程的進(jìn)一步進(jìn)展。另一方面,切口28的兩個(gè)切割邊緣18a、18b已經(jīng)在工具的關(guān)閉方向上彼此移離,因此,相對于圖11-c所示的狀態(tài),放大了窗口在Z方向的打開。在所示區(qū)域的右手部分內(nèi),與圖11-c所示的狀態(tài)相比,傾斜部分27已經(jīng)放大,并因此構(gòu)成了幾乎有了其完成形狀的腹板19。
在所示部分的中心區(qū)域內(nèi),已經(jīng)開始沖切50b而在板9a內(nèi)成形第二變形 21。同時(shí),窗口18的切割邊緣18a在板平面內(nèi)自由地移動在工具部分50和55之間,傾斜部分27的運(yùn)動受到工具部分50c和55c強(qiáng)力限制。當(dāng)?shù)诙冃纬尚螘r(shí),這導(dǎo)致材料特別從切割邊緣18a的方向進(jìn)一步被曳拉;這樣,切割邊緣18a、18b也在Z方向上彼此移離,即,在板的平面內(nèi)彼此移離,因此造成窗口18也在板平面內(nèi)打開。只有在窗口的該部分已經(jīng)形成之后,光才能夠在Z方向上通過。
由于組合的切割/沖切工具的部分50a和55a的尖銳邊緣經(jīng)受嚴(yán)重磨損,有利的是,可將工具設(shè)計(jì)為模塊化,這樣,能夠更換個(gè)別的元件,特別是那些經(jīng)受特別應(yīng)力的元件。
在由窗口18或邊緣18a和腹板19界限和包圍的突起區(qū)域20內(nèi),測量結(jié)構(gòu)17也在圖4中顯示了第二變形21,這將在圖11-d中解釋。所述第二變形21是正交于板9a主平面的板9a的變形。在圖4中,第二變形21是在負(fù)向Z方向5內(nèi)的板9a的變形。這里的第二變形21在突起區(qū)域20內(nèi)形成大致圓形的凹陷。
第二變形21與切割邊緣18a并因此與突起區(qū)域20的邊緣以及與窗口18至少最小地間距開。
在圖4的實(shí)例中,突起區(qū)域20在板9a主平面上的最大高度H是沿Z方向5確定的,其大約為300μm。因此,在該實(shí)例中,突起區(qū)域的最大高度H大約是板9a厚度D的三倍。
連接到板9a的個(gè)別板9b可包括孔22b,孔22b用于布置了第一個(gè)別板9a的測量結(jié)構(gòu)17的區(qū)域內(nèi)的測量結(jié)構(gòu);相反,個(gè)別板9a也可包括孔22a,孔22a位于連接到個(gè)別板9a的個(gè)別板9b包括測量結(jié)構(gòu)17的區(qū)域內(nèi)。這顯示在圖10中。例如,所述孔22a、22b可形成為相應(yīng)板9a、9b內(nèi)的通孔形狀,或形成為相應(yīng)板9a、9b邊緣處的側(cè)向凹陷形狀。這樣,落在板9a(9b)上和落在正交于板9a(9b)主平面的雙極板9上的光線可通過第一板9a(第二板9b)的測量結(jié)構(gòu)17的窗口18,并且通過讓測量結(jié)構(gòu)17可見的第二板9b(第一板9a)內(nèi)的孔,并因此通過雙極板9,于是,通過使用透射光法,可實(shí)施測量結(jié)構(gòu)17的光學(xué)局部化。
如圖10所示的用透射光法使板9a的測量結(jié)構(gòu)17局部化的測量裝置,例 如,除了雙極板9之外,還包括白光源91和照相機(jī)92,白光源91和照相機(jī)92布置在雙極板9的分開兩側(cè)上,這樣,白光源91和照相機(jī)92被雙極板9分開。白光源91最好適于正交于或基本上正交于雙極板9的主平面發(fā)射光,使得由白光源發(fā)射的光可通過個(gè)別板的測量結(jié)構(gòu)17的窗口18(分別在個(gè)別板9a的左手邊緣區(qū)域和個(gè)別板9b的右手邊緣區(qū)域內(nèi))并通過孔22,孔22讓相應(yīng)的其它個(gè)別板(左手側(cè)上的9b和右手側(cè)上的9a)通過雙極板9而可見。在雙極板9的相對側(cè)上,照相機(jī)92則布置成這樣:它能夠探測到由白光源91發(fā)射并通過雙極板9的光線93。
在窗口18的尖銳切割邊緣18a、18b處,照相機(jī)圖像中產(chǎn)生了強(qiáng)的光學(xué)對比。這樣,基于照相機(jī)92捕捉到圖像數(shù)據(jù),例如,借助于已知的圖形設(shè)別方法進(jìn)行捕捉,可以高的精度確定測量結(jié)構(gòu)17中心點(diǎn)的位置。測量結(jié)構(gòu)17的窗口相對于彼此的對稱性在這里額外地便于確定相應(yīng)板的測量結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)的位置。
圖5至9示出參照圖4解釋的測量結(jié)構(gòu)17的替代實(shí)施例。如前面那樣,所出現(xiàn)的特征用相同的附圖標(biāo)記表示。
圖5的測量結(jié)構(gòu)117主要在第二變形21方面不同于圖4的測量結(jié)構(gòu)17。較之于根據(jù)圖4的測量結(jié)構(gòu)17,三個(gè)第二變形21設(shè)置在根據(jù)圖5的測量結(jié)構(gòu)117內(nèi),每個(gè)變形形成在由第一變形形成的突起區(qū)域20的外面。根據(jù)圖5的三個(gè)變形21各自鄰近于板9a主平面內(nèi)的窗口之一形成。第二變形21又形成為圓形凹陷。第二變形各自與窗口18的切割邊緣18b間距開。通過第二變形21,切割邊緣18b各自朝向第二變形21變形,這樣,如在根據(jù)圖4的測量結(jié)構(gòu)17情形中那樣,窗口18允許落在板9a上的光線正交于板9a的主平面通過。這里,不是切割邊緣18b而是全部切割邊緣18a位于共同閉圓曲線內(nèi),因?yàn)榈诙冃我呀?jīng)鄰近于切割邊緣18b產(chǎn)生。該情形類似于圖6至9的測量結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
根據(jù)圖6的測量結(jié)構(gòu)217僅在第二變形21方面又不同于根據(jù)圖5的測量結(jié)構(gòu)117。這里,第二變形21形成為板9a主平面內(nèi)形成的環(huán)形溝,其完全地包圍突起區(qū)域20、窗口18和腹板19。環(huán)形的第二變形21和圓形的突起區(qū)域20同心地布置。就像根據(jù)圖5的測量結(jié)構(gòu)17的情形中那樣,根據(jù)圖6的測量 結(jié)構(gòu)217中第二變形21的該實(shí)施例造成切割邊緣18b朝向第二變形21變形,因此,從測量結(jié)構(gòu)217的中心點(diǎn)向外變形,于是,窗口18允許讓正交地落在板9a的主平面上的光線通過。
根據(jù)圖7的測量結(jié)構(gòu)317與根據(jù)圖6的測量結(jié)構(gòu)217的不同之處僅在于:第二變形不形成為環(huán)形溝,但緊靠各個(gè)窗口18設(shè)置。這造成切割邊緣18a朝向第二變形比具有根據(jù)圖6環(huán)形溝的測量結(jié)構(gòu)217的情形更強(qiáng)的變形。
根據(jù)圖8的測量結(jié)構(gòu)417與根據(jù)圖6的測量結(jié)構(gòu)217的不同之處僅在于:突起區(qū)域20只借助兩個(gè)相對的腹板19連接到板9a的主平面,且不同之處還在于:只設(shè)置兩個(gè)窗口18,兩個(gè)窗口彼此相對。在圖8的平面圖中,窗口18在板9a的主平面上的投影用黑色突出強(qiáng)調(diào),其平行于X-Y平面定向。在所示的實(shí)施例中,第一變形指向正向Z方向,而第二變形指向負(fù)向Z方向。然而,在替代的實(shí)施例中,還可想象第二變形形成為突起區(qū)域20的凹陷,其同樣指向正向Z方向5。在該情形中,板9a會沿同樣方向變形,正交于板9a的主平面,既在第一變形的區(qū)域內(nèi)又在第二變形的區(qū)域內(nèi)。
為了說明設(shè)計(jì)測量結(jié)構(gòu)的其它方式,讀者可另外參照圖3,那里,四個(gè)測量結(jié)構(gòu)17各自包括四個(gè)腹板和四個(gè)窗口。
圖9又示出根據(jù)圖5的測量結(jié)構(gòu)117,但附加地還示出第二個(gè)別板9b。第二個(gè)別板9b中的孔22在第一個(gè)別板9a的測量結(jié)構(gòu)117的區(qū)域內(nèi)清楚地可見。正交地落在包括板9a、9b的雙極板9的主平面上的光線因此可通過測量結(jié)構(gòu)117的窗口18并通過孔22。