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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Zellelement für einen elektrochemischen Energiewandler sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler und eine Schweißvorrichtung zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Insbesondere in Elektrolysesystemen werden Bipolarplatten eingesetzt, die eine Edelmetallbeschichtung aufweisen, um einen Übergangswiderstand zu verringern und eine Verschlechterung des Widerstands aufgrund einer wachsenden Oxidschicht über die Lebensdauer der Bipolarplatte zu verhindern.
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Derartige Edelmetallbeschichtungen sind aufwendig in der Herstellung und kostenintensiv.
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Ferner werden Bipolarplatten mit Transportschichten, wie bspw. permeablen, schwammartigen Strukturen durch Widerstandsschweißen verbunden. Laserschweißen wird dazu nicht verwendet, da lokale Spalten nicht zuverlässig vermieden werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Zellelement für einen elektrochemischen Energiewandler, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Zellelements und eine Schweißvorrichtung zur Herstellung des Zellelements vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren bzw. der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellelement und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Möglichkeit für ein kosteneffizientes Zellelement für einen elektrochemischen Energiewandler bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Zellelement für einen elektrochemischen Energiewandler, wie bspw. ein Elektrolysesystem oder ein Brennstoffzellensystem vorgestellt.
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Das vorgestellte Zellelement umfasst eine Transportschicht und eine Bipolarplatte, wobei die Bipolarplatte eine Leitstruktur zum Leiten von Betriebsmedium umfasst, wobei die Leitstruktur eine zumindest bereichsweise geprägte Oberfläche aufweist, wobei die Transportschicht mit der Leitstruktur im Bereich der geprägten Oberfläche über eine platinfreie Verbindung in Form einer Anzahl Schweißstellen direkt verschweißt ist.
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Das vorgestellte Zellelement kann bspw. eine Halbzelle für eine Zelle eines Zellstapels eines elektrochemischen Energiewandlers sein.
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Unter einer Transportschicht ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine poröse Transportschicht bzw. „Porous Transport Layer“ (PTL) zu verstehen.
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Unter einer geprägten Oberfläche ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Oberfläche zu verstehen, die gemäß einem dreidimensionalen bzw. räumlichen Muster geformt und die ersten Bereiche sowie zweite Bereiche umfasst, wobei die ersten Bereiche sich in ihrer Höhenposition von einer Höhenposition der zweiten Bereiche unterscheiden. Entsprechend kommen bspw. die ersten Bereiche zuerst bzw. ausschließlich in Kontakt mit einer auf die geprägte Oberfläche geführten ebenen Fläche.
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Weiterhin ist eine geprägte Oberfläche flexibel bzw. federnd, sodass die geprägte Oberfläche verformbar ist, jedoch mit einer Federkraft zurück in ihre Ausgangsstellung drückt.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf einer Schweißverbindung zwischen einer Leitstruktur einer Bipolarplatte, wie bspw. einem Kanalsystem oder einer geprägten Platte, und einer porösen Transportschicht.
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Dabei bildet die Schweißverbindung eine platinfreie Verbindung, die direkt, d. h. ohne Zwischenschicht, die Bipolarplatte mit der Transportschicht verbindet.
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Aufgrund der Verformbarkeit der geprägten Oberfläche der Leitstruktur wird beim Pressen der Leitstruktur auf die Transportschicht eine Federkraft bereitgestellt, die jeweilige erhöhte Bereiche der Leitstruktur auf die Transportschicht drückt und, dadurch bedingt, einen Ausgleich von Materialtoleranzen zwischen der geprägten Oberfläche bzw. der Leitstruktur als erstem Fügepartner und der Transportschicht als zweitem Fügepartner bewirkt.
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Aufgrund des Ausgleichs der Materialtoleranzen wird eine sichere bzw. verlässliche Kontaktierung zwischen Leitstruktur und Transportschicht, d. h., ein sogenannter „lokaler Nullspalt“ erreicht, sodass diese in einem Laserschweißprozess miteinander verschweißt werden können.
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Dabei bedingt das Verschweißen der Leitstruktur und Transportschicht einen besonders niedrigen Übergangswiderstand zwischen der Leitstruktur bzw. der Bipolarplatte und der Transportschicht, sodass auf einer den Schweißstellen zugewandten Seite sowohl bei der Bipolarplatte bzw. der Leitstruktur als auch bei der Transportschicht auf eine Beschichtung mit Edelmetall, insbesondere Platin, verzichtet werden kann.
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Die geprägte Oberfläche kann bspw. eine Anzahl ringförmiger Federkonturen umfassen.
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Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Anzahl Schweißstellen und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann auf Edelmetallschichten, insbesondere Platinschichten zur Reduzierung eines Kontaktwiderstands zwischen der Bipolarplatte und der Transportschicht verzichtet werden.
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Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Transportschicht lediglich auf einer der Anzahl Schweißstellen abgewandten Seite eine Edelmetallschicht aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Leitstruktur eine Anzahl auf einer Grundstruktur der Bipolarplatte ausgebildete Kanäle umfasst, wobei die Anzahl Schweißstellen am Boden mindestens eines Kanals ausgebildet ist.
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Zum Ausbilden von Schweißstellen in einer Leitstruktur, die Kanäle umfasst, kann die geprägte Oberfläche eine Anzahl ringförmiger Federkonturen umfassen, die an einem Kanalgrund ausgebildet sind. Bspw. können die Federkonturen eine Federhöhe aufweisen, die innerhalb einer Höhenvarianz einer Oberfläche der Leitstruktur liegt. Insbesondere kann eine Federkontur einen Durchmesser kleiner 500µm und eine Federhöhe größer 50µm aufweisen.
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Bspw. kann die geprägte Oberfläche eine Vielzahl Federkonturen umfassen, die in einem Rasterabstand von 1 mm oder mehr ausgebildet sind, sodass eine Stromtragfähigkeit durch entsprechende Schweißstellen zwischen der Leitstruktur und der Transportschicht sichergestellt ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Leitstruktur eine geprägte Platte umfasst, die auf eine Grundstruktur der Bipolarplatte aufgeschweißt ist, wobei die Leitstruktur eine Vielzahl Verbindungselemente umfasst, die wechselseitig mit der Grundstruktur und der Transportschicht über eine jeweilige Schweißstelle verschweißt sind.
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Durch Verwendung einer geprägten Platte, die bspw. anstelle eines Streckmetalls zum Ausbilden der Leitstruktur der Bipolarplatte verwendet wird, kann eine vorgegebene Verbindungsgeometrie geschaffen werden, die an vorgegebenen Positionen Schweißstellen mit einer Grundstruktur der Bipolarplatte und mit der Transportschicht bedingt.
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Dazu kann die geprägte Platte eine Vielzahl Verbindungselemente, wie bspw. Arme oder Stege umfassen, die sich in einem vorgegebenen Höhenprofil in Richtung des Grundkörpers der Bipolarplatte oder in Richtung der Transportschicht erstrecken. Entsprechend können jeweilige Verbindungselemente federnd bzw. flexibel ausgestaltet sein, um einen Ausgleich von Materialtoleranzen zwischen der geprägten Oberfläche bzw. der Leitstruktur als erstem Fügepartner und der Transportschicht als zweitem Fügepartner bzw. der Grundstruktur der Bipolarplatte als drittem Fügepartner zu bewirken.
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Unter Verwendung einer geprägten Platte als Leitstruktur kann auf Edelmetallbeschichtungen zur Reduzierung eines Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Leitstruktur, insbesondere an der Grundstruktur, einer der Grundstruktur zugewandten Seite der Leitstruktur, einer der Transportschicht zugewandten Seite der Leitstruktur und einer der Leitstruktur zugewandten Seite der Transportschicht, verzichtet werden.
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Bspw. können jeweilige Verbindungselemente wechselseitig nach oben und unten sowie um 90° versetzt bzw. sternförmig versetzt ausgebildet sein. Durch eine derartig versetze Ausbildung der Verbindungselemente wird ein dreidimensionales Fachwerk erreicht, das eine gute Steifigkeit des Zellelements für eine Weiterverarbeitung, bspw. beim Verbinden mit weiteren Zellelementen zu einer Zelle, bedingt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler.
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Das vorgestellte Herstellungsverfahren umfasst das Anordnen einer Transportschicht und einer Leitstruktur einer Bipolarplatte übereinander, wobei die Leitstruktur eine geprägte Oberfläche aufweist.
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Ferner umfasst das vorgestellte Herstellungsverfahren das Pressen der Leitstruktur auf die Transportschicht, derart, dass die geprägte Oberfläche verformt wird und ein punktueller Kontakt zwischen der Leitstruktur und der Transportschicht sichergestellt wird und das Ausbilden einer Anzahl Schweißstellen, an Punkten, an denen die geprägte Oberfläche in Kontakt mit der Transportschicht ist, um die Leitstruktur mit der Transportschicht über eine platinfreie Verbindung direkt zu verschweißen..
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Das Ausbilden der Anzahl Schweißstellen kann bspw. mittels eines Scanners und eines Faserlasers geschehen, wodurch Schweißzeiten von wenigen Millisekunden je Schweißpunkt und wenigen Sekunden pro Zellelement möglich sind. Entsprechend kann eine Bahngeschwindigkeit beim Schweißen zwischen 0,25m/s und 0,75m/s, gewählt werden.
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Das vorgestellte Herstellungsverfahren basiert auf einem Pressvorgang, bei dem die Leitstruktur derart auf die Transportschicht gepresst bzw. niedergedrückt wird, dass die geprägte Oberfläche verformt wird und ein punktueller Kontakt zwischen der Leitstruktur und der Transportschicht sichergestellt wird.
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Zum Pressen der Leitstruktur auf die Transportschicht kann bspw. eine automatische Niederhaltevorrichtung bzw. ein Handlingroboter verwendet werden. Insbesondere kann ein vorgegebenes Gewicht auf die Leitstruktur bzw. die Bipolarplatte aufgelegt werden, um eine Anpresskraft bereitzustellen, die die Verbindungselemente einfedert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Leitstruktur eine Anzahl auf einer Grundstruktur der Bipolarplatte ausgebildete Kanäle umfasst und die Anzahl Schweißstellen am Boden mindestens eines Kanals ausgebildet wird.
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Durch Ausbilden der Schweißstellen am Boden mindestens eines Kanals als tiefste Stelle einer Leitstruktur kann der Kanal bzw. dessen Boden selbst als Federelement wirken und bspw. durch das Pressen in seinem Querschnitt verändert werden. Alternativ oder zusätzlich können Federelemente im Boden eines Kanals eingeprägt sein, sodass der Boden ein sich veränderndes Höhenprofil aufweist und lediglich an einem lokalen Minimum mit einer Transportschicht in Kontakt tritt, um eine Schweißstelle auszubilden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Leitstruktur eine geprägte Platte umfasst, die eine Vielzahl Verbindungselemente ausbildet, wobei eine erste Anzahl Verbindungselemente mit einer Grundstruktur der Bipolarplatte und eine zweite Anzahl Verbindungselemente mit der Transportschicht verschweißt werden, wobei jeweilige Verbindungselemente einen abgerundeten Kontaktbereich aufweisen, an dem die Verbindungselemente punktförmig verschweißt werden.
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Durch einen abgerundeten Kontaktbereich wird zum einen eine Geometrie der Schweißstelle vorgegeben und zum anderen ein verlässlicher Kontakt zwischen Leitstruktur und Transportschicht bzw. Grundstruktur sichergestellt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Schweißstellen automatisch mittels eines Laserschweißroboters ausgebildet werden, wobei der Laserschweißroboter eine Position der Schweißstellen anhand eines mittels eines optischen Sensors ermittelten Bildes der geprägten Oberfläche und eines Bilderkennungsalgorithmus ermittelt, wobei der Bilderkennungsalgorithmus als Positionen für Schweißstellen solche Punkte bestimmt, an denen die geprägte Oberfläche mit der Transportschicht in Kontakt steht.
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Um jeweilige Punkte zum Ausbilden einer Schweißstelle auszuwählen, kann ein automatisches Bilderkennungssystem verwendet werden, das bspw. lokale Minima in einer Oberfläche erkennt und diese als Punkte zum Ausbilden einer Schweißstelle auswählt. Ein solches automatisches Bilderkennungssystem gleicht Toleranzen beim Auftreten der Kontakte zwischen einer Leitstruktur und einer Transportschicht bzw. einer Grundstruktur dynamisch aus.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweilige Schweißstellen automatisch mittels eines Laserschweißroboters ausgebildet werden, wobei der Laserschweißroboter die Schweißstellen an fest vorgegebenen Positionen ausbildet.
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Insbesondere unter Verwendung einer geprägten Platte als Leitstruktur können jeweilige Positionen von Schweißstellen exakt vorgegeben werden, sodass diese Positionen einem Speicher hinterlegt und einem Laserschweißroboter bereitgestellt werden können.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung eine Schweißvorrichtung zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler.
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Die vorgestellte Schweißvorrichtung umfasst einen Laserschweißroboter und eine Recheneinheit, die zur Durchführung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens konfiguriert ist.
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Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
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Da ein Laserschweißroboter berührungsfrei schweißt, wird ein Risiko einer Zellvergiftung durch einen Übertrag von Metallionen minimiert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Schweißvorrichtung in jeweiligen Bereichen, in denen die Schweißvorrichtung mit der Transportschicht und/oder der Leitstruktur in Kontakt kommt, eine Oberfläche aus Titan aufweist.
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Durch eine Oberfläche aus Titan bzw. Titanelement in jeweiligen Bereichen, in denen die Schweißvorrichtung mit der Transportschicht und/oder der Leitstruktur in Kontakt kommt, wird eine Vergiftung des Zellelements durch einen Übertrag von Metallionen verhindert.
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Vorteile, die ausführlich zu dem Zellelement für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben werden, gelten gleichermaßen bei dem Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sowie der Schweißvorrichtung zur Herstellung eines Zellelements für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Darstellung einer Ausgestaltung eines Zellelements gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine erste Ansicht einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellelements,
- 3 eine zweite Ansicht des Zellelements gemäß 2,
- 4 eine erste Ansicht einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellelements,
- 5 eine zweite Ansicht des Zellelements gemäß 4,
- 6 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens,
- 7 eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Schweißvorrichtung, und
- 8 eine mögliche Ausgestaltung von Niederhaltern für die Schweißvorrichtung gemäß 7.
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In 1 ist ein Zellelement 1000 gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
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Das Zellelement 1000 umfasst eine Bipolarplatte 1100 auf der eine erste Edelmetallschicht 1110 angeordnet ist und eine Transportschicht 1200, die eine zweite Edelmetallschicht 1210 und eine dritte Edelmetallschicht 1220 auf einer Porenstruktur 1230 umfasst.
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Entsprechend umfasst das Zellelement 1000 drei Edelmetallschichten 1110, 1210 und 1220.
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Die drei Edelmetallschichten 1110, 1210 und 1220 sind nötig, da die Bipolarplatte 1100 großflächig im Bereich 1230 über Widerstandsschweißen an die Transportschicht 1200 angeschweißt ist.
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In 2 ist ein Zellelement 100 dargestellt. Das Zellelement 100 umfasst eine Transportschicht 101 und eine Bipolarplatte 103.
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Die Bipolarplatte 103 umfasst eine Leitstruktur 105 zum Leiten von Betriebsmedien.
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Die Leitstruktur 105 umfasst wiederum eine zumindest bereichsweise geprägte Oberfläche 107.
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Die Transportschicht 101 ist mit der Leitstruktur 105 im Bereich der geprägten Oberfläche 107 über eine platinfreie Verbindung in Form einer Anzahl Schweißstellen 109 direkt verschweißt.
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Das Zellelement 100 weist lediglich auf einer der Anzahl Schweißstellen 109 abgewandten Seite der Transportschicht 101 eine optionale Edelmetallschicht 111 auf.
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Entsprechend umfasst das Zellelement 100 zwei Edelmetallschichten weniger als das Zellelement 1000 gemäß dem Stand der Technik.
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In 3 ist erkennbar, dass die Leitstruktur 105 eine Vielzahl Kanäle 113 ausbildet, an deren jeweiligem Boden 115 eine Schweißstelle 109 in Form eines Schweißpunkts ausgebildet ist.
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Zum Bereitstellen der Schweißstellen 109 wird die Bipolarplatte 103 auf die Transportschicht 101 niedergedrückt, wie durch Pfeile 119 angedeutet, sodass lokale Minima, d. h., besonders tiefe Bereiche der geprägten Oberfläche 107 mit der Transportschicht 101 in Kontakt treten und durch einen Laserschweißprozess mit dieser verbunden werden können.
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Dabei ist die geprägte Oberfläche 107 federnd ausgestaltet, sodass Materialtoleranzen der Transportschicht 101 und der Bipolarplatte 103 ausgeglichen werden, wenn die geprägte Oberfläche 107 auf die Transportschicht 101 niedergedrückt wird.
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In 4 ist ein Querschnitt durch ein weiteres Zellelement 200 dargestellt. Hier umfasst die Bipolarplatte 103 eine geprägte Platte 121, die federnde bzw. flexible Verbindungselemente 123 ausbildet. Entsprechend ist die geprägte Platte 121 über erste Verbindungselemente 123a mit der Bipolarplatte 103 und über zweite Verbindungselemente 123b mit der Transportschicht 101 verschweißt.
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Für eine sichere und einfache Punktverschweißung sind die Verbindungselemente 123 an ihren Verbindungsstellen vor einer Verschweißung abgerundet bzw. kalottenförmig ausgestaltet.
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In 5 ist das Zellelement 200 in einer Draufsicht dargestellt, in der ersichtlich ist, dass die Verbindungselemente 123 um einen Mittelpunkt radial versetzt zueinander gruppiert ausgestaltet sind.
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Die Verbindungselemente sind an den Schweißpunkten 109 mit einer Transportschicht 101 aus gesintertem Titanium verschweißt.
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In 6 ist ein Herstellungsverfahren 300 zur Herstellung eines Zellelements 100 für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß 1 dargestellt.
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Das Herstellungsverfahren 300 umfasst einen Anordnungsschritt 301, bei dem eine Transportschicht und eine Leitstruktur einer Bipolarplatte übereinander angeordnet werden, wobei die Leitstruktur eine geprägte Oberfläche aufweist.
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Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Pressschritt 303, bei dem die Leitstruktur derart auf die Transportschicht niedergedrückt wird, dass die geprägte Oberfläche verformt wird und ein punktueller Kontakt zwischen der Leitstruktur und der Transportschicht sichergestellt wird.
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Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren 300 einen Ausbildungsschritt 305, bei dem eine Anzahl Schweißstellen an Punkten ausgebildet wird, an denen die geprägte Oberfläche in Kontakt mit der Transportschicht ist, um die Leitstruktur mit der Transportschicht zu verschweißen.
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Dabei weist die Transportschicht lediglich an einer der Anzahl Schweißstellen abgewandten Seite eine Edelmetallschicht auf.
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In 7 ist eine Schweißvorrichtung 400 zur Herstellung eines Zellelements 100 für einen elektrochemischen Energiewandler gemäß 1 dargestellt.
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Die Schweißvorrichtung 400 umfasst einen Laserschweißroboter 401 und eine Recheneinheit 403, die zur Durchführung des Herstellungsverfahrens 300 gemäß 6 konfiguriert ist.
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Zum Niederhalten der Verbindungselemente kann die Schweißvorrichtung eine Anzahl von in 8 dargestellte Niederhaltern 405 umfassen, die zum Biegen bzw. Niederhalten der Verbindungselemente 123 konfiguriert sind. Entsprechend können die Niederhalter 405 aus Titan bestehen bzw. einen Kontaktbereich aus Titan umfassen, um eine Vergiftung der Transportschicht 101 mit Metallionen zu verhindern.