CN117501482A - 用于制造电化学电池单元的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造电化学电池单元(53)的方法，所述电化学电池单元用于作为燃料电池单元(1)将电化学能转换成电能和/或作为电解电池单元(49)将电能转换成电化学能，所述电化学电池单元具有堆叠的电化学电池(52)，所述方法具有以下步骤：提供电化学电池(52)的层状的部件(5，6，7，8，9，10，30，51)、即优选质子交换膜(5)、阳极(7)、阴极(8)、气体扩散层(9)和双极板(10)，将层状的部件(5，6，7，8，9，10，30，51)堆叠成电化学电池(52)并且堆叠成电化学电池单元(53)的反应堆，其中，提供气体扩散层(9)，使得气体扩散层(9)包括磁性材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造电化学电池单元的方法以及一种根据权利要求15的前序部分所述的电化学电池单元。
背景技术
作为伽伐尼电池的燃料电池单元借助氧化还原反应将连续地被供应到阳极和阴极的燃料和氧化剂转换成电能和水。燃料电池被使用在不同的固定应用和移动应用中，例如在不与电网连接的房子中或者在机动车中、在轨道交通中、在航空中、在航天中以及在航海中。在燃料电池单元中多个燃料电池布置在作为反应堆的堆叠中。
在燃料电池单元中在一个燃料电池堆中布置大量燃料电池。在燃料电池内部分别存在用于氧化剂的气体空间、即用于引导氧化剂、例如来自周围环境的具有氧气的空气的流动空间。用于氧化剂的气体空间由双极板上的通道和用于阴极的气体扩散层构成。通道由此由双极板的相应的通道结构构成，并且氧化剂、即氧气通过气体扩散层到达燃料电池的阴极。以类似的方式存在用于燃料的气体空间。
由堆叠地布置的电解电池构成的电解电池单元类似于在燃料电池单元的情况下那样例如用于从水电解获得氢气和氧气。此外公知了下述燃料电池单元，所述燃料电池单元可以作为可逆的燃料电池单元并且由此作为电解电池单元运行。燃料电池单元和电解电池单元构成电化学电池单元。燃料电池和电解电池构成电化学电池。
在制造燃料电池单元时，燃料电池的层状的部件、即质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层和双极板被堆叠成具有燃料电池的反应堆。气体扩散层在此基于该布置被放置到双极板上。气体扩散层具有小的质量和小的比重。出于这种原因，气体扩散层在放置到双极板上之后可能例如由于空气流动而容易滑落，从而在平行于从层状的部件展开的假想平面的方向上发生气体扩散层和双极板之间的相对运动。这意味着，在将气体扩散层放置到双极板上之后并且在布置另外的层状的部件例如具有阳极、阴极和质子交换膜的膜电极组件之前，需要气体扩散层相对于双极板的另外的费事的准确定向。
发明内容
一种根据本发明的用于制造电化学电池单元的方法，所述电化学电池单元用于作为燃料电池单元将电化学能转换成电能和/或用于作为电解电池单元将电能转换成电化学能，所述电化学电池单元具有堆叠的电化学电池，所述方法具有以下步骤：提供电化学电池的层状的部件、即优选质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层和双极板；将层状的部件堆叠成电化学电池并且堆叠成电化学电池单元的反应堆，其中，提供气体扩散层，使得气体扩散层包括磁性材料。被提供给气体扩散层的磁性材料例如是软磁材料、半硬磁性材料或永磁材料。由特别是具有铁的金属构成的双极板由磁性材料构成，从而由此在双极板和气体扩散层之间产生磁力，所述磁力引起双极板和气体扩散层的接触面之间的压力。所述压力由此决定双极板与气体扩散层的接触面之间的力锁合的和/或形状锁合的连接，从而由此以有利的方式在将气体扩散层放置到双极板上之后在平行于从层状的部件展开的假想平面的方向上不发生气体扩散层与双极板之间的相对运动。例如由于空气运动引起的力由此不再足够引起双极板与气体扩散层之间的相对运动。
在一个另外的变体中，将气体扩散层放置到具有磁性材料的双极板上，从而气体扩散层借助磁力被吸引至双极板上。
在一个补充的设计方案中，基于由磁力引起的在气体扩散层与双极板之间的接触面上的压力在气体扩散层与双极板之间建立力锁合的和/或形状锁合的连接。
在一个另外的实施方式中，在每一个双极板上各放置一个气体扩散层，从而每一个双极板与该一个气体扩散层构成一个中间装配单元并且在该中间装配单元中借助磁力将气体扩散层吸引至该每一个双极板。在装配单元中在气体扩散层与该每一个双极板之间的磁力引发气体扩散层与该每一个双极板之间形状锁合的和/或力锁合的连接，从而由此在中间装配单元运动到已经部分地堆叠的反应堆期间在平行于从层状的部件气体扩散层和双极板展开的假想平面的方向上不发生气体扩散层与该每一个双极板之间的相对运动。由此能够以有利的方式由机器人使中间装配单元以高的速度和由此引起的强的空气流动运动到部分地堆叠的反应堆。
符合目的地，在每一个双极板上各放置一个气体扩散层和一个膜电极组件，从而该每一个双极板与该气体扩散层和该膜电极组件构成一个中间装配单元并且在该中间装配单元中借助磁力将气体扩散层吸引至该每一个双极板。
优选，在该中间装配单元中，将该气体扩散层布置在该双极板和该膜电极组件之间。
在一个另外的设计方案中，在每一个双极板上各放置两个气体扩散层和一个膜电极组件，从而该每一个双极板与所述两个气体扩散层和该膜电极组件构成一个中间装配单元并且在该中间装配单元中借助磁力将气体扩散层吸引至该每一个双极板。
在一个补充的变体中，在该中间装配单元中第一气体扩散层布置在双极板和膜电极组件之间，并且膜电极组件布置在第一和第二气体扩散层之间。
在一个另外的变体中，在一个中间步骤中，制造中间装配单元并且然后将中间装配单元放置到已经部分地堆叠的、具有堆叠的电化学电池的反应堆上。优选，借助机器人使在中间步骤中制造的中间装配单元运动到已经部分地制造的反应堆。
在一个补充的实施方式中，在制造期间借助至少一个磁性抓取器使气体扩散层运动，其方式是，气体扩散层被磁性抓取器借助磁力吸引并且由机器人使至少一个磁性抓取器运动。优选，至少一个磁性抓取器包括各一个作为电磁体的能通电流的线圈，从而在电流流过线圈时存在电磁体，以在线圈被通电流期间产生线圈与气体扩散层之间的磁力并且使气体扩散层运动以及在线圈被关断时在线圈与气体扩散层之间没有磁力作用，从而在线圈被关断时气体扩散层被放下或能被放下到层状的部件、特别是双极板上。
在一个附加的构型中，在制造期间借助至少一个磁性抓取器使气体扩散层运动到双极板并且放置到双极板上，其方式是，气体扩散层被至少一个磁性抓取器借助磁力吸引，从而形成中间装配单元并且由机器人使至少一个磁性抓取器运动。
优选，气体扩散层中的磁性材料是作为碳变体的富勒烯。富勒烯是碳的一个变体并且例如具有C60或C70的总式。富勒烯以例如大于10bar、40bar、50bar或100bar的非常高的压力和/或特别是至少50℃、100℃、200℃或500℃的高的温度被聚合并且由此具有磁性特性。
在一个另外的变体中，磁性材料由磁性物质、特别是铁磁性物质组成的粒子构成。
在一个附加的实施方式中，粒子作为纳米粒子包括铁、特别是氧化铁材料，并且纳米粒子布置在作为纳米管的小管中，特别是布置在由碳构成的作为纳米管的碳小管中。符合目的地，纳米管具有小于300nm、200nm或100nm的直径。优选，纳米管由碳、氮化硼或二氧化钛构成。优选，纳米粒子由顺磁的氧化铁构成。符合目的地，纳米管具有200nm和400nm之间的直径。符合目的地，纳米粒子借助气相沉积被施加到纳米管中和/或上，特别是也被施加到膜上。
一种根据本发明的电化学电池单元用于作为燃料电池单元将电化学能转换成电能和/或用于作为电解电池单元将电能转换成电化学能，所述电化学电池单元包括堆叠地布置的电化学电池，电化学电池包括分别堆叠地布置的层状的部件，电化学电池的所述部件优选是质子交换膜、阳极、阴极、气体扩散层和双极板，其中，所述电化学电池单元借助在本保护申请文件中所述的方法制造和/或所述气体扩散层包括磁性材料，从而气体扩散层借助磁力被双极板吸引。
在一个补充的构型中，气体扩散层中的由磁性材料构成的粒子具有小于50μm、优选10nm和30μm之间、特别是5nm和10μm之间的直径。
在一个附加的构型中，由磁性材料构成的粒子借助粘结剂和/或粘合材料与气体扩散层连接。
优选，膜电极组件各由一个质子交换膜、一个阳极和一个阴极构成，特别是构造为在阳极和阴极中具有催化剂材料的CCM(catalyst coated membran，催化剂涂层膜)。
在一个另外的变体中，电化学电池单元包括至少50个、100个或200个堆叠的电化学电池。
在一个另外的变体中，借助在本保护申请文件中所述的方法制造在本保护申请文件中所述的电化学电池单元。
此外，本发明包括一种计算机程序，其具有被存储在计算机可读的数据载体上的程序代码模块，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上被执行时执行在本保护申请文件中所述的方法。
此外，本发明的组成部分是一种计算机程序产品，其具有被存储在计算机可读的数据载体上的程序代码模块，以便当计算机程序在计算机或相应的计算单元上被执行时执行在本保护申请文件中所述的方法。
在一个补充的设计方案中，电化学电池单元是作为燃料电池堆的用于将电化学能转换成电能的燃料电池单元和/或用于将电能转换成电化学能的电解电池单元。
符合目的地，双极板构造为隔离器板并且在各一个阳极和各一个阴极之间布置电绝缘层、特别是质子交换膜，并且优选，电解电池分别包括用于分开地引导作为第三过程流体的冷却流体的第三通道。
在一个附加的变体中，电解电池单元附加地构造为燃料电池单元、特别是在本保护申请文件中所述的燃料电池单元，从而电解电池单元构成可逆的燃料电池单元。
在一个另外的变体中，第一物质是氧气，并且第二物质是氢气。
在一个另外的变体中，电解电池单元的电解电池是燃料电池。
在一个另外的变体中，电化学电池单元包括壳体和/或接线板。反应堆由壳体和/或接线板包围。
根据本发明的特别是用于机动车的燃料电池系统包括作为燃料电池堆的具有燃料电池的燃料电池单元、用于存储气态燃料的压力气体存储器、用于将气态氧化剂供应到燃料电池的阴极的气体供应装置，其中，燃料电池单元构造为在本保护申请文件中所述的燃料电池单元和/或电解电池单元。
根据本发明的电解系统和/或燃料电池系统包括作为电解电池堆叠的具有电解电池的电解电池单元、优选用于存储气态燃料的压力气体存储器、优选用于将气态氧化剂供应到燃料电池的阴极的气体供应装置、用于液态电解质的存储容器、用于供应液态电解质的泵，其中，电解电池单元构造为在本保护申请文件中所述的电解电池单元和/或燃料电池单元。
在一个另外的构型中，在本保护申请文件中所述的燃料电池单元附加地构成电解电池单元并且优选反之亦然。
在一个另外的变体中，电化学电池单元、特别是燃料电池单元和/或电解电池单元包括至少一个连接装置、特别是多个连接装置和夹紧元件。
符合目的地，用于电化学电池、特别是燃料电池和/或电解电池的部件优选是绝缘层、特别是质子交换膜、阳极、阴极、优选气体扩散层和双极板、特别是隔离器板。
在一个另外的构型中，电化学电池、特别是燃料电池和/或电解电池分别优选包括绝缘层、特别是质子交换膜、阳极、阴极、优选至少一个气体扩散层和至少一个双极板、特别是至少一个隔离器板。
在一个另外的实施方式中，连接装置构造为螺栓和/或杆状地构造和/或构造为夹紧带。
符合目的地，夹紧元件构造为夹紧板。
在一个另外的变体中，气体供应装置构造为鼓风机和/或压缩机和/或具有氧化剂的压力容器。
电化学电池单元、特别是燃料电池单元和/或电解电池单元尤其包括至少3个、4个、5个或6个连接装置。
在一个另外的构型中，夹紧元件板状地和/或盘状地和/或平坦地构造和/或构造为格栅。
燃料优选是氢气、富含氢气的气体、重组气体或天然气。
符合目的地，燃料电池和/或电解电池基本上平坦地和/或盘状地构造。
在一个补充的变体中，氧化剂是具有氧气的空气或纯氧气。
优选，燃料电池单元是具有PEM燃料电池的PEM燃料电池单元或具有SOFC燃料电池的SOFC燃料电池单元或碱性燃料电池(AFC)。
附图说明
下面参考附图具体地描述本发明的实施例。附图示出：
图1示出作为燃料电池系统和电解电池系统的电化学电池系统的极大简化的分解图，所述电化学电池系统具有作为燃料电池和电解电池的电化学电池的部件，
图2示出燃料电池和电解电池的一部分的立体图，
图3示出剖割作为燃料电池和电解电池的电化学电池的纵向截面图，
图4示出作为燃料电池堆和电解电池反应堆的燃料电池单元和电解电池单元的电化学电池单元的立体图，
图5示出作为燃料电池堆和电解电池反应堆的燃料电池单元和电解电池单元的电化学电池单元的侧视图，
图6示出双极板的立体图，
图7示出机器人的侧视图，
图8示出在将气体扩散层放置到双极板上之前的第一双极板的立体图，
图9示出具有被放置的气体扩散层以及在放置到双极板和气体扩散层上之前的膜电极组件的第一双极板的立体图，和
图10示出在将具有布置在第二双极板下侧上的另外的未示出的气体扩散层的第二双极板放置到该膜电极组件、该气体扩散层和第一双极板上之前的、具有未示出的被放置的气体扩散层和被放置的膜电极组件的第一双极板的立体图。
具体实施方式
在图1至3中示出作为PEM燃料电池3(聚合物电解质燃料电池3)的燃料电池2的基本构造。燃料电池2的原理在于，借助电化学反应产生电能或电流。将作为气态燃料的氢气H2引导到阳极7处并且阳极7形成负极。将气态氧化剂、即具有氧气的空气引导到阴极8处，也就是说，空气中的氧气提供必要的气态氧化剂。在阴极8处进行还原(接受电子)。在阳极7处实施作为电子输出的氧化。
电化学过程的氧化还原反应方程式是：
阴极：
O2+4H++4e---＞＞2H2O
阳极：
2H2--＞＞4H++4e-
阴极和阳极的总反应方程式：
2H2+O2--＞＞2H2O
电极对在标准条件下的标准电极电位差作为未负载的燃料电池2的可逆燃料电池电压或开路电压是1.23V。该1.23V的理论电压在实际中不被达到。在静止状态中和在小电流时可以达到大于1.0V的电压，并且在以更大的电流运行时达到0.5V和1.0V之间的电压。多个燃料电池2的串联、特别是作为多个堆叠地布置的燃料电池2组成的燃料电池堆1的燃料电池单元1具有更大的电压，该更大的电压相当于燃料电池2的数量乘以每个燃料电池2的单个电压。
燃料电池2还包括质子交换膜5(Proton Exchange Membrane，PEM)，所述质子交换膜布置在阳极7和阴极8之间。阳极7和阴极8层状地或盘状地构造。PEM 5用作电解质、催化剂载体和用于反应气体的隔离器。PEM 5此外用作电绝缘体并且防止阳极7与阴极8之间电短路。通常使用12μm至150μm厚的质子传导薄膜，该薄膜由全氟化的和磺化的聚合物构成。PEM 5传导质子H+并且基本上阻断不同于质子H+的离子，从而基于PEM 5对于质子H+的可通过性可以进行电荷传输。PEM 5对于反应气体氧气O2和氢气H2基本上不可通过的，也就是说，阻断氧气O2和氢气H2在阳极7处的具有燃料氢气H2的气体空间31与阴极8处的具有作为氧化剂的空气或氧气O2的气体空间32之间流动。PEM 5的质子传导能力随着增高的温度和增大的水含量而增大。
在PEM 5的两侧分别朝向气体空间31，32放置作为阳极7和阴极8的电极7，8。由PEM5和电极7，8构成的单元称为膜电极组件6(Membran Electrode Assembly，MEA)。电极7，8与PEM 5压合。电极7，8是含铂的碳粒子，所述粒子与PTFE(Polytetrafluorethylen，聚四氟乙烯)、FEP(Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer，氟化乙烯丙烯共聚物)、PFA(Perfluoralkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)、PVDF(Polyvinylidenfluorid，聚偏二氟乙烯)和/或PVA(Polyvinylalkohol，聚乙烯醇)结合并且热压成多微孔的碳纤维垫、玻璃纤维垫或塑料垫。在电极7，8上在朝向气体空间31，32的一侧通常分别施加催化剂层30(未示出)。在具有燃料的气体空间31处在阳极7上的催化剂层30包括在石墨化的炭黑粒子上纳米分散的铂-钌，所述炭黑粒子与粘结剂结合。在具有氧化剂的气体空间32处在阴极8上的催化剂层30类似地包括纳米分散的铂。例如使用PTFE-Emulsion(聚四氟乙烯乳状液)或Polyvinylalkohol作为粘结剂。
与此不同地，电极7，8由离子聚合物、例如含铂的碳粒子和添加剂构成。具有离子聚合物的电极7，8基于碳粒子是能导电的并且也传导质子H+并且附加地基于含铂的碳粒子也用作催化剂层30(图2和3)。具有电极7，8的膜电极组件6包括离子聚合物构成作为CCM(catalyst coated membran，催化剂覆载膜)的膜电极组件6。
气体扩散层9(Gas Diffusion Layer，GDL)放置在阳极7和阴极8上。阳极7上的气体扩散层9将来自用于燃料的通道12的燃料均匀地分布到阳极7上的催化剂层30上。阴极8上的气体扩散层9将来自用于氧化剂的通道13的氧化剂均匀地分布到阴极8上的催化剂层30上。GDL 9此外将反应水沿着与反应气体的流动方向相反的方向、即沿着每个从催化剂层30到通道12，13的方向吸出。此外，GDL 9使PEM 5保持湿润并且传导电流。GDL 9例如由作为载体层和基质层的疏水性碳纸和结合的作为多微孔层(microporous layer)的碳粉层构成。
双极板10放置在GDL 9上。导电的双极板10作为集流器用于排水并且使作为过程流体的反应气体流过通道结构29和/或流场29并且将余热导出，所述余热特别是在放热电化学反应中在阴极8处产生。为了导出余热，在双极板10中引入作为用于引导作为过程流体的液态或气态冷却剂的通道结构29的通道14。用于燃料的气体空间31上的通道结构29由通道12构成。用于氧化剂的气体空间32上的通道结构29由通道13构成。例如使用金属、能导电的塑料和复合材料和/或石墨作为双极板10的材料。
多个燃料电池2对齐地堆叠地布置在燃料电池单元1和/或燃料电池堆叠1和/或燃料电池反应堆1中(图4和5)。在图1中示出对齐地堆叠地布置的两个燃料电池2的分解图。密封件11流体密封地封闭气体空间31，32或通道12，13。作为燃料的氢气H2以例如350bar至700bar的压力被存储在压力气体存储器21(图1)中。燃料从压力气体存储器21通过高压管路18被引导到减压器20以将中压管路17中的燃料的压力减小为大约10bar至20bar。燃料从中压管路17被引导到喷射器19。在喷射器19处将燃料的压力减小到1bar和3bar之间的输入压力。由喷射器19将燃料供送到用于燃料的供送管路16(图1)并且从供送管路16供送到用于燃料的通道12，所述通道构成用于燃料的通道结构29。燃料由此流过用于燃料的气体空间31。用于燃料的气体空间31由通道12和在阳极7上的GDL 9构成。在流过通道12之后，在氧化还原反应中在阳极7处未消耗的燃料和必要时来自阳极7的受控的润湿中的水通过排出管路15从燃料电池2导出。
气体供应装置22例如构造为鼓风机23或压缩机24，所述气体供应装置将来自周围环境的作为氧化剂的空气供应到用于氧化剂的供送管路25中。空气从供送管路25被供送到用于氧化剂的通道13，所述通道构成双极板10上的用于氧化剂的通道结构29，从而氧化剂流过用于氧化剂的气体空间32。用于氧化剂的气体空间32由通道13和在阴极8上的GDL 9构成。在流过通道13或用于氧化剂32的气体空间32之后，在阴极8处未消耗的氧化剂以及在阴极8处由于电化学氧化还原反应产生的反应水通过排出管路26从燃料电池2导出。供送管路27用于将冷却剂供送到用于冷却剂的通道14中，排出管路28用于导出流过通道14的冷却剂。供送管路和排出管路15，16，25，26，27，28在图1中出于简明的原因示出为单独的管路。在靠近于通道12，13，14的端部区域处，在作为燃料电池单元1的反应堆的堆叠中，对齐的流体开口41构造在作为彼此叠置的双极板10(图6)和膜电极组件6(图9和10)的端部区域40上的延长部的密封板39上。燃料电池2和燃料电池2的部件盘状地构造并且展开基本上彼此平行地定向的假想平面59。对齐的流体开口41和在垂直于假想平面59的方向上在流体开口41之间的密封件(未示出)由此构成用于氧化剂的供送通道42、用于氧化剂的排出通道43、用于燃料的供送通道44、用于燃料的排出通道45、用于冷却剂的供送通道46和用于冷却剂的排出通道47。在燃料电池单元1的堆叠外部的供送管路和排出管路15，16，25，26，27，28构造为过程流体管路。在燃料电池单元1的堆叠外部的供送管路和排出管路15，16，25，26，27，28通到燃料电池单元1的堆叠内部的供送通道和排出通道42，43，44，45，46，47中。燃料电池反应堆1与压力气体存储器21和气体供应装置22一起构成燃料电池系统4。
在燃料电池单元1中，燃料电池2布置在作为夹紧板34的两个夹紧元件33之间。第一夹紧板35被放置在第一燃料电池2上，并且第二夹紧板36被放置在最后的燃料电池2上。燃料电池单元1包括大约200至400个燃料电池2，所述燃料电池出于绘图原因而未全部在图4和5中示出。夹紧元件33将压力施加给燃料电池2，也就是说，第一夹紧板35带有压力地放置在第一燃料电池2上，第二夹紧板36带有压力地放置在最后的燃料电池2上。由此将燃料电池堆2夹紧，以便特别是基于弹性的密封件11确保用于燃料、氧化剂和冷却剂的密封性并且此外使燃料电池堆1内部的接触电阻保持尽可能小。为了借助夹紧元件33夹紧燃料电池2，在燃料电池单元1上构造作为螺栓38的四个连接装置37，所述连接装置受拉应力。四个螺栓38与夹紧板34连接。
在图6中示出燃料电池2的双极板10。双极板10包括作为三个分开的通道结构29的通道12，13和14。通道12，13和14在图6中未单独示出，而是仅简化地作为通道结构29的层示出。双极板10的和膜电极组件6(图9和10)的密封板39上的流体开口41对齐地堆叠地布置在燃料电池单元1内部，从而构成供送通道和排出通道42，43，44，45，46，47。在此，未示出的密封件布置在密封板39之间，以流体密封地封闭由流体开口41构成的供送通道和排出通道42，43，44，45，46，47。
因为双极板10也将用于燃料的气体空间31与用于氧化剂的气体空间32流体密封地分开并且此外也流体密封地封闭用于冷却剂的通道14，所以对于双极板10补充地也可以选择用于流体密封地分开或隔离过程流体的隔离器板51的概念。由此隔离器板51的概念也纳入双极板10的概念中并且反之亦然。用于燃料的通道12、用于氧化剂的通道13和用于燃料电池2的冷却剂的通道14也构造在电化学电池52上，然而具有其他功能。
燃料电池单元1也可以作为电解电池单元49被使用和运行，也就是说，构成可逆的燃料电池单元1。下面描述实现燃料电池单元1作为电解电池单元49运行的一些特征。为了电解而使用液态电解质、即具有大约c(H2SO4)＝1mol/l的浓度的很稀的硫酸。液态电解质中的水合氢离子H3O+的足够浓度对于电解是必要的。
在电解中进行以下氧化还原反应：
阴极：
4H3O++4e---＞＞2H2+4H2O
阳极：
6H2O--＞＞O2+4H3O++4e-
阴极和阳极的总反应方程式：
2H2O--＞＞2H2+O2
电极7，8的极性在作为电解电池单元49运行时(未示出)由于电解而与在作为燃料电池单元1运行时相反地实现，从而在由液态电解质流过的用于燃料的通道12中在阴极处产生作为第二物质的氢气H2，并且氢气H2由液态电解质吸收并溶解地被一起输送。类似地，液态电解质流过用于氧化剂的通道13并且在阳极处在用于氧化剂的通道13中或上产生作为第一物质的氧气O2。燃料电池单元1的燃料电池2在作为电解电池单元49运行时用作电解电池50。燃料电池2和电解电池50由此构成电化学电池52。产生的氧气O2由液态电解质吸收并溶解地被一起输送。液态电解质被贮存在存储容器54中。在图1中，出于绘图简化原因示出燃料电池系统4的两个存储容器54，所述燃料电池系统也用作电解电池系统48。在作为电解电池单元49运行时用于燃料的供送管路16上的三通阀55被切换，从而不是来自压力气体存储器21的燃料、而是液态电解质借助泵56从存储容器54被导入到用于燃料的供送管路16中。在作为电解电池单元49运行时用于氧化剂的供送管路25上的三通阀55被切换，从而不是来自气体供应装置22的作为空气的氧化剂、而是液态电解质借助泵56从存储容器54被导入到用于氧化剂的供送管路25中。也用作电解电池单元49的燃料电池单元1与仅能作为燃料电池单元1运行的燃料电池单元1相比可选地具有电极7，8和气体扩散层9的改变：例如气体扩散层9不是吸水的，使得液态电解质容易地完全被排出或者不构造气体扩散层9或者气体扩散层9是双极板10上的结构。电解电池单元49与存储容器54、泵56和分离器57，58以及优选三通阀55构成电化学电池系统60。
用于氢气的分离器57布置在用于燃料的排出管路15上。分离器57从具有氢气的电解质分离出氢气并且被分离的氢气借助未示出的压缩机导入到压力气体存储器21中。从用于氢气的分离器57导出的电解质然后又通过管路被供送给用于电解质的存储容器54。用于氧气的分离器58布置在用于燃料的排出管路26上。分离器58从具有氧气的电解质分离出氧气并且被分离的氧气借助未示出的压缩机被导入未示出的用于氧气的压力气体存储器中。未示出的用于氧气的压力气体存储器中的氧气可以可选地被使用用于燃料电池单元1的运行，其方式是，在作为燃料电池单元1运行时，氧气通过未示出的管路被导入到用于氧化剂的供送管路25中。从用于氧气的分离器58导出的电解质然后又通过管路被供送到用于电解质的存储容器54。通道12，13以及排出管路和供送管路15，16，25，26如下地构造，使得在作为电解电池单元49使用并且泵56关断之后液态电解质又基于重力完全返回到存储容器54中。可选地，在作为电解电池单元49使用之后并且在作为燃料电池单元1使用之前将惰性气体引导通过通道12，13和排出管路和供送管路15，16，25，26以在气态燃料和氧化剂流过之前完全去除液态电解质。燃料电池2和电解电池2由此构成电化学电池52。燃料电池单元1和电解电池单元49由此构成电化学电池单元53。用于燃料的通道12和用于氧化剂的通道由此构成用于在作为电解电池单元49运行时引导液态电解质的通道12，13并且这类似地适用于供送管路和排出管路15，16，25，26。电解电池单元49出于过程技术原因通常不需要用于引导冷却剂的通道14。在电化学电池单元49中，用于燃料的通道12也构成用于引导燃料和/或电解质的通道12，并且用于氧化剂的通道13也构成用于引导燃料和/或电解质的通道13。
在一个另外的未示出的实施例中，燃料电池单元1构造为碱性燃料电池单元1。作为氢氧化钾溶液的钾碱液被使用作为移动的电解质。燃料电池2堆叠地布置。在此可以设计单极的电池结构或双极的电池结构。氢氧化钾溶液在阳极和阴极之间循环并且运走反应水、热量和杂质(碳酸盐，溶解气体)。燃料电池单元1也可以作为可逆的燃料电池单元1、即作为电解电池单元49运行。
在图7中示出用于制造电化学电池单元53的机器人61。机器人61包括机器人臂62和机器人关节63。作为磁性抓取器66的过程单元65和摄像机64固定在最后的机器人臂62的端部区域上。具有作为电磁体的线圈的磁性抓取器66借助由马达驱动而能运动的球形关节(未示出)固定在最后的机器人臂62上。具有处理器和数据存储器的计算机67控制机器人61。关于双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6的规定的几何布置和/或关于机器人61相对于电化学电池单元53的反应堆的相对位置的位置数据被存储在数据存储器中。摄像机64检测双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6的光学图像，并且借助计算机67中的图像处理软件感测双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6相对于机器人61的实际相对位置。对机器人61的运动的控制由此根据被存储在数据存储器中的规定的位置数据和/或由图像处理软件确定的关于双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6相对于机器人61的实际位置的数据进行。被存储的位置数据可以由此借助由图像处理软件确定的关于双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6相对于机器人61的实际位置的数据来修正，从而以有利的方式使例如由于制造不准确度导致的在双极板10和/或气体扩散层9和/或质子交换膜5和/或膜电极组件6的几何布置方面的偏差不影响制造。机器人61附加地具有未示出的机械式抓取器。
为了制造电化学电池单元53，首先提供电化学电池52的层状的部件。层状的部件例如在燃料电池单元1的情况下是质子交换膜5、阳极7、阴极8、气体扩散层9和双极板10。在此，阳极7、阴极8和质子交换膜5构成膜电极组件6，在所述膜电极组件中CCM(catalystcoated membrane)被加入到阳极7和阴极8中，在所述CCM中，阳极7和阴极8附加地设有催化剂物质，从而阳极7和阴极8附加地构成催化剂层30。燃料电池2的层状的部件被堆叠成例如图3和4中所示的作为反应堆的堆叠。
气体扩散层9如下地被制造和提供，使得所述气体扩散层具有磁性特性。这通过如下方式实现，即气体扩散层9部分地设置有作为粒子的磁性材料。所述粒子作为纳米粒子布置在作为纳米管的碳小管中。不同地或附加地，作为碳变体的富勒烯也可以作为磁性材料布置在气体扩散层9中。双极板10基本上由铁构成并且由此同样由磁性材料构成。
在图8中示出用于由双极板10和气体扩散层9制造中间装配单元70的制造步骤。为了制造中间装配单元70，由机器人61借助机械式抓取器或抽吸抓取器(未示出)从未示出的具有双极板10的堆叠将一个双极板10放置到未示出的支承面上。然后由机器人61借助磁性抓取器66从具有气体扩散层9的未示出的堆叠将一个气体扩散层9提起，其方式是，给磁性抓取器66中的线圈(未示出)通电流，从而由此产生磁力，借助该磁力可以基于一方面具有被通电流的线圈作为电磁体的磁性抓取器66与另一方面气体扩散层9中的磁性材料之间的磁性力来提起气体扩散层9。在此使用多个机器人61，或者在一个机器人61上通常将多个磁性抓取器66布置在相应的连杆上。气体扩散层9可以由此在不机械损坏气体扩散层9的情况下容易地被放置到双极板10上，从而根据图9中的视图将气体扩散层9放置在双极板10的上侧上。
图9中所示的中间装配单元70可以可选地借助机器人61、例如借助机械式抓取器和/或磁性抓取器66被移动到燃料电池单元1的已经部分地制造的堆叠。在图9中附加地示出膜电极组件6。在膜电极组件6中，质子交换膜5由作为副衬垫69的密封层68包围。此外在副衬垫69中构造流体开口41。图10中的膜电极组件6构成CCM，因为催化剂材料被引入到阳极7和阴极8中。在进一步的工作步骤中，将膜电极组件6放置到气体扩散层9和双极板10上，从而根据图10中的中间装配单元70的视图，气体扩散层9布置在膜电极组件6和双极板10之间。在图10中，中间装配单元70因此包括双极板10、气体扩散层9和膜电极组件6。可选地，所述中间装配单元70可以借助机器人61被移动到已经部分地构造的具有燃料电池2的堆叠或反应堆。
与此不同地，附加地可以将另外的第二双极板10放置到在图10中下方示出的具有双极板10、气体扩散层9和膜电极组件6的中间装配单元70上。在图10中所示的上方的第二双极板10中，另外的第二气体扩散层9被放置在双极板10的未示出的下侧上。第二气体扩散层9由气体扩散层9与双极板10之间的磁力固定在双极板10上。这例如通过以下方式实现，即由机器人61将气体扩散层9放置到双极板10的所述下侧上并且然后借助另外的机器人61使带有被放置上的气体扩散层9的这个双极板10旋转180°到图10中的位置中并且然后借助所述另外的机器人61将带有在下方放置上的气体扩散层9的双极板10放置到图10中所示的中间装配单元70上。由此构成另外的更大的中间装配单元70，所述另外的更大的中间装配单元包括在这个中间装配单元70的外侧上的第一和第二双极板10以及两个气体扩散层9和作为CCM的膜电极组件6，所述膜电极组件布置在两个气体扩散层9之间。然后这个中间装配单元70借助机器人61和磁性抓取器66和/或机械式抓取器被移动到仅部分地堆叠的具有燃料电池2的堆叠。上述过程被一直重复，直到例如制成作为具有400个燃料电池2的堆叠的燃料电池单元1。
上述过程能够以类似的方式也被用于制造电化学电池单元49。
总体来看，根据本发明的用于制造电化学电池单元53的方法和根据本发明的电化学电池单元53兼有下述主要的优点。基于气体扩散层9中的磁性材料，气体扩散层9可以暂时被固定在机器人61的磁性抓取器66上并且附加地产生由钢或铁构成的双极板10与气体扩散层9之间的磁力。对于机械损坏非常敏感的气体扩散层9可以由此以有利的方式在整个制造方法期间借助机器人61在不使用机械式抓取器的情况下无损坏地并且可靠地由磁性抓取器66移动。机械式抓取器具有机械地损坏敏感的气体扩散层9的高风险。此外，双极板10与气体扩散层9之间的磁力确保在将气体扩散层9放置到双极板10上之后排除气体扩散层9与双极板10之间在平行于假想平面59的方向上的相对运动。由此，中间装配单元70能够以有利的方式在具有双极板10和气体扩散层9的情况下由机器人61以高的速度在空间中被移动，而由此引起的空气运动不触发双极板10与气体扩散层9之间的相对运动。由此以有利的方式不再需要对已经放置在双极板10上的气体扩散层9的再调校。此外，气体扩散层9基于磁力也可以借助磁力被固定在双极板10的下侧上以优化制造方法。这总体上能够实现电化学电池单元53的安全、可靠、成本低廉并且精确的制造。
Claims (15)
1.一种用于制造电化学电池单元(53)的方法，所述电化学电池单元用于作为燃料电池单元(1)将电化学能转换成电能和/或用于作为电解电池单元(49)将电能转换成电化学能，所述电化学电池单元具有堆叠的电化学电池(52)，所述方法具有以下步骤：
-提供所述电化学电池(52)的层状的部件(5，6，7，8，9，10，30，51)、即优选质子交换膜(5)、阳极(7)、阴极(8)、气体扩散层(9)和双极板(10)，
-将所述层状的部件(5，6，7，8，9，10，30，51)堆叠成电化学电池(52)并且堆叠成电化学电池单元(53)的反应堆，
其特征在于，
如下提供所述气体扩散层(9)：使得所述气体扩散层(9)包括磁性材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述气体扩散层(9)放置到具有磁性材料的双极板(10)上，从而所述气体扩散层(9)借助磁力被吸引至所述双极板(10)上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于由所述磁力在所述气体扩散层(9)与所述双极板(10)之间的接触面上引起的压力在所述气体扩散层(9)与所述双极板(10)之间建立力锁合的和/或形状锁合的连接。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在每一个双极板(10)上各放置一个气体扩散层(9)，从而该每一个双极板(10)与该一个气体扩散层(9)构成一个中间装配单元(70)并且在该中间装配单元(70)中借助磁力将该气体扩散层(9)吸引至该每一个双极板(10)。
5.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在每一个双极板(10)上各放置一个气体扩散层(9)和一个膜电极组件(6)，从而该每一个双极板(10)与该气体扩散层(9)和该膜电极组件(6)构成一个中间装配单元(70)并且在该中间装配单元(70)中借助磁力将该气体扩散层(9)吸引至该每一个双极板(10)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在该中间装配单元(70)中，该气体扩散层(9)布置在该双极板(10)和该膜电极组件(6)之间。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在每一个双极板(10)上各放置两个气体扩散层(9)和一个膜电极组件(6)，从而该每一个双极板(10)与该两个气体扩散层(9)和该膜电极组件(6)构成一个中间装配单元(70)并且在该中间装配单元(70)中借助磁力将所述气体扩散层(9)吸引至该每一个双极板(10)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在该中间装配单元(70)中，第一气体扩散层(9)布置在该双极板(10)和该膜电极组件(6)之间，并且该膜电极组件(6)布置在该第一和第二气体扩散层(9)之间。
9.根据权利要求4至8中一项或多项所述的方法，其特征在于，在一个中间步骤中，制造所述中间装配单元(70)并且然后将所述中间装配单元(70)放置到已经部分地堆叠的、具有堆叠的电化学电池(52)的反应堆上。
10.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在制造期间借助至少一个磁性抓取器(66)使所述气体扩散层(9)运动，其方式是，所述气体扩散层(9)借助磁力被该磁性抓取器(66)吸引并且由机器人(61)使至少一个磁性抓取器(66)运动。
11.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，在制造期间，借助至少一个磁性抓取器(66)使所述气体扩散层(9)运动到所述双极板(10)并且放置到所述双极板(10)上，其方式是，所述气体扩散层(9)借助磁力被至少一个磁性抓取器(66)吸引，从而形成所述中间装配单元(70)并且由机器人(61)使所述至少一个磁性抓取器(66)运动。
12.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，该气体扩散层(9)中的磁性材料是作为碳变体的富勒烯。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述的方法，其特征在于，所述磁性材料由磁性物质、特别是铁磁性物质组成的粒子构成。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述粒子作为纳米粒子包括铁、特别是氧化铁物质，并且所述纳米粒子布置在作为纳米管的小管中，特别是布置在由碳构成的作为纳米管的碳小管中。
15.一种电化学电池单元(53)，所述电化学电池单元用于作为燃料电池单元(2)将电化学能转换成电能和/或用于作为电解电池单元(49)将电能转换成电化学能，所述电化学电池单元包括：
-堆叠地布置的电化学电池(52)，并且所述电化学电池(52)包括分别堆叠地布置的层状的部件(5，6，7，8，9，10，51)，并且
-所述电化学电池(52)的所述部件(5，6，7，8，9，10，51)优选是质子交换膜(5)、阳极(7)、阴极(8)、气体扩散层(9)和双极板(10，51)，
其特征在于，
所述电化学电池单元(53)借助根据前述权利要求中一项或多项所述的方法制造，
和/或
所述气体扩散层(9)包括磁性材料，从而所述气体扩散层(9)借助磁力被所述双极板(10)吸引。
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