DE102018211407A1

DE102018211407A1 - Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018211407A1
Application number: DE102018211407.2A
Authority: DE
Inventors: Arnold Gente; Felix Wald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16
Also published as: WO2020011615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle (10) und eine Brennstoffzelle welche eine nach diesem Verfahren hergestellte mehrteilige Zelle (10) umfasst. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Herstellens wenigstens einer Bipolarplatte (30) durch Einprägen einer Kanalstruktur auf ein endloses Metallband (18) und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Metallband (18), des Herstellens wenigstens einer Membranelektrodeneinheit (58) durch Aufbringen wenigstens eines Beschichtungsabschnittes (54) auf ein endloses Membranband (42) und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Membranband (42), des Herstellen von Medienanschlussstücken (70), des Verbindens von wenigstens zwei Medienanschlussstücken (70) mit der wenigstens einen Bipolarplatte (30), und des Übereinanderstapelns der wenigstens einen Bipolarplatte (30) und der wenigstens einen Membranelektrodeneinheit (58).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelle, die eine solche mehrteilige Zelle umfasst und ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Bren nstoffzelle.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen bspw. Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme gewandelt werden. Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstapel sind aus mehrteiligen Zellen aufgebaut, welche abwechselnd übereinander angeordnete Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufweisen. Hierbei dienen die Bipolarplatten zur Versorgung der Elektroden mit Edukten und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Die Bipolarplatten weisen hierzu eine Verteilerstruktur auf, die Edukt enthaltende Fluide entlang den Elektroden führen. Darüber hinaus dienen die Verteilerstrukturen dazu ein Kühlfluid entlang der weiteren Verteilerstrukturen zu führen. Diese Verteilerstrukturen sind dabei als Kanäle ausgebildet, wodurch die unterschiedlichen Fluide leitbar sind.
Stand der Technik
Aus der WO 2017/215872 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt, wobei bei diesem Verfahren ein plattenförmiges Werkstück erzeugt wird, und wobei eine Medienverteilerstruktur in das plattenförmige Werkstück eingebracht wird. An der Bipolarplatte sind Anschlussstellen zum Zuführen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels angeordnet.
Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass bei der Herstellung von unterschiedlichen Zellgrößen unterschiedlich große Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheit hergestellt werden müssen. Um die unterschiedlich großen Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten herzustellen werden dabei beim Stand der Technik unterschiedliche Werkzeuge benötigt. Dadurch ist der Herstellungsprozess in Bezug auf verschiedene Zellgrößen wenig flexibel und teuer. Zudem ist der Fertigungsprozess nach dem Stand der Technik aufwändig.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle für eine Brennstoffzelle anzugeben, welches eine wirtschaftliche Herstellung verschiedener Zellgrößen flexibel ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle für eine Brennstoffzelle gelöst. Hinsichtlich einer Brennstoffzelle welche wenigstens eine nach dem Verfahren hergestellte mehrteilige Zelle aufweist wird auf Anspruch 7 verwiesen. Der Anspruch 8 ist auf die Verwendung einer solchen Brennstoffzelle in einem Elektrofahrzeug gerichtet. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte des Herstellens wenigstens einer Bipolarplatte durch Einprägen einer Kanalstruktur auf ein endloses Metallband und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Metallband, des Herstellens wenigstens einer Membranelektrodeneinheit durch Aufbringen wenigstens eines Beschichtungsabschnittes auf ein endloses Membranband und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Membranband, des Herstellens von Medienanschlussstücken, des Verbindens von wenigstens zwei Medienanschlussstücken mit der wenigstens einen Bipolarplatte, und des Übereinanderstapelns der wenigstens einen Bipolarplatte und der wenigstens einen Membranelektrodeneinheit.
Als endlos im Sinne der Erfindung wird dabei vorzugsweise ein auf eine Rolle aufgebrachtes Band verstanden. Mittels der Medienanschlussstücke ist ein Brennstoff und eines Oxidationsmittels zuführbar.
Durch das Aufprägen einer Kanalstruktur und die Beschichtung auf das endlose Band kann eine kontinuierliche Herstellung eines Bipolarplattenbandes und eines Membranelektrodeneinheitbandes erreicht werden. Da zur Herstellung von Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten lediglich Streifen vorgegebener Länge von dem Bipolarplattenband und dem Membranelektrodeneinheitband abgetrennt werden müssen sind auch bei unterschiedlichen Zellgrößen keine unterschiedlichen Werkzeuge nötig. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses gesteigert. Auch die Herstellung der Medienanschlussstücke unabhängig von der Bipolarplatte erhöht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Medienanschlussstücke an die Bipolarplatte angeschweißt. Dadurch werden die Medienanschlussstücke fest mit der Bipolarplatte verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Medienanschlussstücke an der Bipolarplatte mit Kunststoff umspritzt. Dadurch wird eine dichte Verbindung zwischen Medienanschlussstücken und Bipolarplatte gebildet, so dass die Medien zwischen den Medienanschlussstücken und Bipolarplatten austauschbar sind.
Vorzugsweise wird für unterschiedliche Längen des Membranbandes und/oder des Metallbandes eine gleichbleibende Größe an Medienanschlussstücken hergestellt. Dadurch wird lediglich eine einzige Größe an Medienanschlussstücke benötigt, so dass unabhängig von der Zellgröße immer die gleichen Medienanschlussstücke verwendbar sind. Es wird damit lediglich ein Werkzeug zum Herstellen der Medienanschlussstücke benötigt. Dadurch können Kosten für die Herstellung und Lagerung unterschiedlicher Medienanschlussstücke eingespart werden, so dass die mehrteilige Zelle wirtschaftlicher herstellbar ist.
Vorteilhafterweise wird die Kanalstruktur durch Vorbeiführen des endlosen Metallbandes an einer Walze aufgeprägt. Unter Vorbeiführen im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das endlose Metallband mit einer Prägestruktur an einer Außenumfangsfläche der Walze in Kontakt kommt, so dass die Kanalstruktur auf das Metallband aufgeprägt wird. Dadurch wird in einem kontinuierlichen Prozess die Kanalstruktur auf das Metallband aufgebracht, so dass die Bipolarplatte wirtschaftlicher herstellbar ist.
Die Medienanschlussstücke werden vorzugsweise mittels Stanzen hergestellt. Mittels Stanzen können auf einfache und wirtschaftliche Weise die Medienanschlussstücke hergestellt werden.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche wenigstens eine mehrteilige Zelle umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dadurch können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV). Dadurch können die zu der Brennstoffzelle genannten Vorteile erzielt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle 10. Bei dem Verfahren wird dabei von einer Metallband-Rolle 14 ein endloses Metallband 18 abgerollt und an einer Walze 22, welche eine Prägestruktur 26 aufweist, vorbeigeführt. Dadurch wird eine Kanalstruktur (nicht gezeigt) auf das endlose Metallband 18 aufgeprägt. Zum Ausbilden von Bipolarplatten 30 werden aus dem derart hergestellten geprägten Metallband 18, mittels eines Schneidewerkzeuges, welches hier nicht genauer beschrieben ist, Streifen vorgegebener Länge abgetrennt. Zur Verdeutlichung der Herstellbarkeit unterschiedlicher Zellengrößen sind in der Figur zwei Bipolarplatten 30 unterschiedlicher Länge dargestellt.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird ein endloses Membranband 42 von einer Membranband-Rolle 46 abgerollt und mittels einer Beschichtungseinheit 50 werden Beschichtungsabschnitte 54 auf das endlose Membranband 42 aufgebracht. Zur Verdeutlichung sind hierbei für zwei verschiedene Zellgrößen zwei unterschiedliche Längen der Beschichtungsabschnitte 54 gezeigt. Zum Ausbilden von Membranelektrodeneinheiten 58 werden anschließend aus dem derart gebildete Membranband 42, mittels des Schneidewerkzeuges, Streifen vorgegebener Länge abgetrennt. Die Länge der Streifen ist dabei abgestimmt auf die aufgebrachten Beschichtungsabschnitte 54. In dem Ausführungsbeispiel sind für die Herstellung von zwei verschiedenen Zellgrößen zwei verschiedene Längen an Membranelektrodeneinheiten 58 gezeigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden aus einem Bandmaterial 62 mittels einer Stanzeinrichtung 66 Medienanschlussstücke 70 hergestellt. Diese Medienanschlussstücke 70 können dabei für mehrere Zellengrößen verwendet werden.
Nach einem Verbinden der Medienanschlussstücke 70 mit den nach dem Verfahren hergestellten Bipolarplatten 30 werden die Bipolarplatte 30 und die Membranelektrodeneinheiten 58 zur Ausbildung einer mehrteiligen Zelle 10, wie in der Figur gezeigt, übereinandergestapelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/215872 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mehrteiligen Zelle (10) für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Herstellen wenigstens einer Bipolarplatte (30) durch Einprägen einer Kanalstruktur auf ein endloses Metallband (18) und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Metallband (18), - Herstellen wenigstens einer Membranelektrodeneinheit (58) durch Aufbringen wenigstens eines Beschichtungsabschnittes (54) auf ein endloses Membranband (42) und Abtrennen von Streifen vorgegebener Länge aus dem endlosen Membranband (42), - Herstellen von Medienanschlussstücken (70), - Verbinden von wenigstens zwei Medienanschlussstücken (70) mit der wenigstens einen Bipolarplatte (30), und - Übereinanderstapeln der wenigstens einen Bipolarplatte (30) und der wenigstens einen Membranelektrodeneinheit (58).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienanschlussstücke (70) an die Bipolarplatte (30) angeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienanschlussstücke (70) an der Bipolarplatte (30) mit Kunststoff umspritzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Längen des Membranbandes (42) und/oder des Metallbandes (18) eine gleichbleibende Größe an Medienanschlussstücken (70) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur durch Vorbeiführen des endlosen Metallbandes (18) an einer Walze (22) aufgeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienanschlussstücke (70) mittels Stanzen hergestellt werden.
Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine mehrteilige Zelle (10), die nach dem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
Verwendung einer Brennstoffzelle, nach Anspruch 7 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).