-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, wobei mehrere Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten übereinander gestapelt werden, wobei die Bipolarplatten jeweils aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet werden, bei welchen zumindest einseitig und zumindest in Teilabschnitten Strukturen auf- und/oder eingebracht werden, wobei die erste Platte und die zweite Platte planparallel zueinander angeordnet und miteinander gefügt werden.
-
Aus der
DE 10 2004 016 318 A1 ist eine Bipolarplatte für elektrochemische Systeme bekannt, welche eine erste Platte mit einem ersten Flowfield zur Medienverteilung sowie eine zweite Platte mit einem zweiten Flowfield zur Medienverteilung enthält, wobei die erste Platte im Bereich des ersten Flowfields zumindest bereichsweise einen ebenen Flächenabschnitt aufweist, aus welchem herausragend diskrete und voneinander beabstandete Erhebungen verteilt angeordnet sind. Weiterhin ist in der
DE 10 2004 016 318 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte beschrieben, wobei die erste sowie die zweite Platte mittels Rollprägen, Stempeln, Hydroforming, Wirbelstromprägen mit Erhebungen und/oder Kanalstrukturen versehen werden und anschließend die erste und zweite Platte auf den den Kanalstrukturen und/oder Erhebungen entgegengesetzten Seiten miteinander vorzugsweise durch Löten, Kleben oder Laserstrahlschweißen gefügt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, mittels welchem insbesondere ein Fertigungsaufwand, eine Fertigungszeit und daraus folgend Fertigungskosten verringert werden.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels werden mehrere Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd übereinander gestapelt, wobei die Bipolarplatten jeweils aus einer ersten Platte und einer zweiten Platte gebildet werden. Bei der ersten Platte und der zweiten Platte werden zumindest einseitig und zumindest in Teilabschnitten Strukturen auf- und/oder eingebracht, wobei die erste Platte und die zweite Platte planparallel zueinander angeordnet und miteinander gefügt werden.
-
Erfindungsgemäß werden die erste Platte aus einem ersten Metallsubstratband und die zweite Platte aus einem zweiten Metallsubstratband gefertigt, wobei die jeweilige Erzeugung der Strukturen vor dem Fügen der ersten Platte und der zweiten Platte in zeitlich parallelen Arbeitsschritten und jeweils separat für das erste Metallsubstratband und das zweite Metallsubstratband erfolgt.
-
Aus der parallelen Bearbeitung der beiden Platten ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine Verringerung der Taktzeit und des Aufwandes während der Fertigung, so dass die Fertigungszeit und daraus folgend die Fertigungskosten verringert werden. Daraus resultiert wiederum eine hohe Wertschöpfung. Auch ergibt sich in zweckmäßiger Weise die Möglichkeit einer vollautomatischen Fertigung der Bipolarplatten und einer ebenfalls vollautomatischen Fertigung des Brennstoffzellenstapels aus den Bipolarplatten und den Membran-Elektroden-Einheiten, kurz auch MEA genannt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 schematisch zwei Metallsubstratbänder, aus welchen eine erste Platte und eine zweite Platte für eine Bipolarplatte erzeugt werden,
-
2 schematisch eine parallele Anordnung der Metallsubstratbänder gemäß 1 bei einem Trennprozess,
-
3 schematisch eine erste Ausführung der Herstellung einer Bipolarplatte, und
-
4 schematisch eine zweite Ausführung der Herstellung einer Bipolarplatte.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt zwei Metallsubstratbänder 1 und 2, aus welchen eine erste Platte 3.1 und eine zweite Platte 3.1 für eine in 4 näher dargestellte Bipolarplatte 5 erzeugt werden.
-
Mehrere dieser Bipolarplatten 3 werden gemäß 4 planparallel übereinander gestapelt, wobei zwischen den Bipolarplatten 3 jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 4 angeordnet ist. Somit wird ein ebenfalls in 4 dargestellter Brennstoffzellenstapel 5 (kurz auch Stack genannt) gebildet.
-
Zur Erzeugung des Brennstoffzellenstapels 5 werden mehrere aus den Bipolarplatten 3 und den Membran-Elektroden-Einheiten 4 gebildete Brennstoffzellen elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt. Dabei weist jede Brennstoffzelle als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit 4 (kurz MEA bezeichnet) bilden.
-
Die jeweilige zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 4 angeordnete Bipolarplatte 3 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten 4, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle wie Brennstoff und Oxidator über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten 4 und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten 4 hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 4.
-
Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz Reaktionsgase bezeichnet) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. so genanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
-
Die jeweilige Bipolarplatte 3 besteht dabei aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, den Platten 3.1 und 3.2. Dabei dient eine der Platten 3.1, 3.2 als Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 4 und die verbleibende der Platten 3.1, 3.2 als Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit 4.
-
An der der einen Membran-Elektroden-Einheit 4 zugewandten Oberfläche der Anodenplatte sind dabei Anodenkanäle zur Verteilung eines Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit 4 angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit 4 zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit 4 angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
-
Die Kathoden- und Anodenkanäle werden dabei von durch Erhebungen (im Weiteren Stege genannt) voneinander getrennten Vertiefungen (im Weiteren Kanäle genannt) auf den jeweils den Membran-Elektroden-Einheiten 4 zugewandten Oberflächen der Anoden- und Kathodenplatte gebildet. Die Kathoden- und Anodenplatte sind vorzugsweise geformt, insbesondere hohl geprägt. Die Stege und Kanäle werden beispielsweise diskontinuierlich durch Formrecken, Tiefziehen, Fließpressen oder dergleichen oder kontinuierlich durch Walzen oder Ziehen hergestellt.
-
Um eine Taktzeit während der Fertigung der Platten 3.1, 3.2 und somit die Fertigungszeit der Bipolarplatte 3 zu verringern, werden die erste Platte 3.1 und die zweite Platte 3.2 erfindungsgemäß parallel und separat auf den Metallsubstratbändern 1, 2 erzeugt. Hierbei werden der Verfahrensschritt S1, bei welchem die Strukturen in die Platten 3.1 und 3.2 eingebracht werden, und weitere Verfahrensschritte S2 bis Sn, welche beispielsweise mehrere Reinigungsprozesse, Beschichtungsprozesse, Trennprozesse, Umklappprozesse und/oder weitere Prozesse umfassen, parallel und separat für jede der Platten 3.1, 3.2 ausgeführt, wobei zum einen Kanäle auf der den Membran-Elektroden-Einheiten 4 zugewandten Oberfläche und Kanäle zur Führung eines Kühlmediums zwischen den Platten 3.1, 3.2 ausgebildet werden.
-
Weiterhin wird anschließend erfindungsgemäß ein Fügen der ersten Platte 3.1 und der zweiten Platte 3.2 durchgeführt.
-
Dieser Prozess des Fügens ist schematisch im Verfahrensschritt Sn – 1 gemäß 2 dargestellt, wobei die Metallsubstratbänder 1, 2 parallel übereinander angeordnet sind und gemeinsam in einem Fügeprozess, beispielsweise mittels Laserschweißen, insbesondere stoffschlüssig gefügt werden.
-
Weiterhin werden die Platten 3.1, 3.2 nach dem Fügen in dem Verfahrensschritt Sn gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels gemeinsam in einem Trennprozess aus den jeweiligen Metallsubstratbändern 1, 2 anhand eines spanlosen oder zerspanenden Bearbeitungsverfahrens herausgetrennt. Als Bearbeitungsverfahren eignen sich insbesondere ein Stanzverfahren, ein Laserschneiden oder weitere Verfahren, mittels welchen eine genaue und für die Platten 3.1, 3.2 schonende Trennung aus den Metallsubstratbändern 1, 2 möglich ist.
-
3 zeigt schematisch eine erste Ausführung der Herstellung der Bipolarplatte 3, wobei die Metallsubstratbänder 1, 2 zur Erzeugung der Strukturen auf den Platten 3.1, 3.2 in dem ersten Verfahrenschritt S1 mittels einer einzelnen Bearbeitungsvorrichtung B zeitlich parallel und separat bearbeitet werden. Anschließend werden die erzeugten Platten 3.1, 3.2 zu der Bipolarplatte 3 im Verfahrensschritt Sn – 1 gefügt und anschließend im Verfahrensschritt Sn gemeinsam aus den Metallsubstratbändern 1, 2 getrennt.
-
Zwischen dem Verfahrensschritt S1 und dem Verfahrensschritt Sn – 1 können in nicht näher dargestellten weiteren Verfahrensschritten S2 bis Sn – 2 zusätzliche Bearbeitungen der gefügten Platten 3.1, 3.2 erfolgen.
-
4 zeigt schematisch eine zweite Ausführung der Herstellung der Bipolarplatte 3, bei welcher die Metallsubstratbänder 1, 2 im Gegensatz zur Ausführung gemäß 3 zur Erzeugung der Strukturen auf den Platten 3.1, 3.2 mittels jeweils einer Bearbeitungsvorrichtung B1 und B2 in dem ersten Verfahrenschritt S1 zeitlich parallel und separat bearbeitet werden. Anschließend werden die erzeugten Platten 3.1, 3.2 wiederum zu der Bipolarplatte 3 im Verfahrensschritt Sn – 4 gefügt.
-
Ein weiterer Unterschied ergibt sich daraus, dass im Anschluss an das Fügen im Schritt Sn – 4 nicht der Trennvorgang der Bipolarplatte 3 erfolgt, sondern die durch das Fügen gebildete Bipolarplatte 1 in weiteren Verfahrensschritten Sn – 3 und Sn – 2 weiter bearbeitet wird. Im Verfahrensschritt Sn – 3 erfolgt beispielsweise eine Wärmebehandlung der gefügten Platten 3.1, 3.2. In einem weiteren Verfahrensschritt Sn – 2 kann insbesondere ein Reinigungsprozess erfolgen. Im Verfahrensschritt Sn – 1 erfolgt die Trennung der Bipolarplatte 3 aus den Metallsubstratbändern 1, 2.
-
Weiterhin zeichnet sich die dargestellte zweite Ausführung der Herstellung dadurch aus, dass vollautomatisch im letzten Verfahrensschritt Sn der Brennstoffzellenstapel 5 durch abwechselndes Übereinanderstapeln der Biopolarplatten 3 und der Membran-Elektroden-Einheiten 4 erzeugt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Metallsubstratband
- 2
- Metallsubstratband
- 3
- Bipolarplatte
- 3.1
- Erste Platte
- 3.2
- Zweite Platte
- 4
- Membran-Elektroden-Einheit
- 5
- Brennstoffzellenstapel
- B
- Bearbeitungsvorrichtung
- B1, B2
- Bearbeitungsvorrichtung
- S1 bis Sn
- Verfahrensschritte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004016318 A1 [0002, 0002]
