DE102019213786A1

DE102019213786A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102019213786A1
Application number: DE102019213786.5A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9), eine Bipolarplatte (10), wenigstens einen Fluidkanal (37) zur Durchleitung eines Fluides, wenigstens eine Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales (37), wobei die wenigstens eine Dichtung (11) an einer Dichtungskontaktfläche einer Oberfläche der wenigstens einen Dichtung (11) auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche einer Oberfläche einer Komponente der Brennstoffzelleneinheit (1) aufliegt, wobei die Komponente an der Dichtungsgegenkontaktfläche eine kleinere Rauheit aufweist als die Oberfläche der Komponente außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt.
In Brennstoffzelleneinheiten ist es notwendig, Fluide, z. B. Wasser, Luft, Sauerstoff, Wasserstoff oder Methan, durch Fluidkanäle wie Kanäle, Gasräume und Leitungen zu leiten. Diese Fluidkanäle werden mit Dichtungen aus einem Dichtmaterial abgedichtet. Die Brennstoffzelleneinheit ist aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen ausgebildet. Die Dichtungen sind aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, ausgebildet. Für eine ausreichend Dichtheit der von den Dichtungen begrenzten Fluidkanäle ist es notwendig, mittels Spannelementen auf die Brennstoffzellen eine große Druckkraft aufzubringen, sodass dadurch die Dichtungen zwischen den Bipolarplatten der Brennstoffzellen mit einer großen Druckkraft vorgespannt sind. Die Dichtungen weisen eine Dichtungskontaktfläche auf und die Dichtungskontaktflächen der Dichtungen liegen auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche einer Oberfläche der Bipolarplatten als einer Komponente der Brennstoffzelle auf. Dabei weisen die Dichtungsgegenkontaktflächen eine große Rauheit auf, sodass für eine ausreichende und zuverlässige Dichtheit der Fluidkanäle die Brennstoffzelleneinheit mit einer großen Druckkraft vorzuspannen sind, sodass eine große Druckkraft auf die Dichtungen aufgebracht wird für eine entsprechende Dichtheit der Fluidkanäle. Die Bipolarplatten liegen jedoch auch auf einer Gasdiffusionsschicht auf. Dabei liegen die Bipolarplatten lokal außerhalb von Kanalstrukturen der Bipolarplatten auf der Gasdiffusionsschicht auf und verpressen diese mit der entsprechenden Druckkraft, mit der die Brennstoffzelleneinheit vorgespannt ist. Diese Druckkraft ist nachteilig für die Porosität der Gasdiffusionsschicht, das heißt, die Durchlässigkeit bzw. Gasleitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht für Brennstoff und Oxidationsmittel wird an den lokal mit der Druckkraft vorgespannten Bereich der Gasdiffusionsschicht verringert, sodass dadurch in nachteiliger Weise die Leistungen und die sonstigen Eigenschaften der Brennstoffzelleneinheit verschlechtert wird. Aufgrund der großen Rauheit der Dichtungskontaktflächen der Bipolarplatten ist somit die Brennstoffzelleneinheit mit einer großen Druckkraft vorzuspannen, welches einerseits zwar die Dichtheit der Fluidkanäle ermöglicht, andererseits jedoch die Gasdurchlässigkeit der Gasdiffusionsschicht verringert und dadurch insbesondere die Leistung der Brennstoffzelleneinheit reduziert. Aufgrund der großen Druckkraft als der Vorspannkraft ist es ferner notwendig in nachteiliger Weise, die Spannplatten an den Enden der Brennstoffzelleneinheit hierzu entsprechend auszulegen mit einer großen Dicke, sodass die Spannplatten in nachteiliger Weise eine große Masse aufweisen.
Die DE 100 44 703 A1 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit und eine Kontaktplatte, die mit der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit in elektrisch leitendem Kontakt steht, wobei die Brennstoffzelleneinheit ein Fluidführungselement umfasst, das mit der Kontaktplatte fluiddicht verbunden ist, eine Begrenzung eines im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit von einem Fluid durchströmten Fluidraums bildet und als Blechformteil ausgebildet ist.
Die DE 101 58 772 C2 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bestehend aus einem Brennstoffzellenstack mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung oder Richtung der Schichtung unter mechanische Druckspannung setzbar ist, wobei zumindest bereichsweise elastische Sickenanordnungen zur Abdichtung der Öffnungen vorgesehen sind.
Die DE 196 07 947 C1 zeigt eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle aus übereinander gestapelten Einzelzellen, die jeweils eine mit Schmelzkarbonat gefüllte Matrix-Schicht aufweisen, die auf der einen Seite mit einer porösen Anodenschicht, kontaktiert von einem Anodenstromkollektor, und auf der anderen Seite mit einer porösen Kathodenschicht, kontaktiert von einem Kathodenstromkollektor, versehen sind, wobei jeweils zwischen benachbarten Einzelzellen an den Rändern abgedichtete, bipolare Platten angeordnet sind, wobei zwischen den Flächen der bipolaren Platten und den Flächen an den Endplatten des jeweiligen Stapels eine erste, der Matrix-Schicht zugewandte, bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle nasse Dichtung und wenigstens eine zweite, äußere, bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle trockene Dichtung vorgesehen ist, und dass zwischen der innenliegenden ersten und der außenliegenden zweiten Dichtung ein unter Druck stehender belüfteter Spalt vorhanden ist, in dem ein das Austreten von Schmelzkarbonat-Schmelze in den Spalt verhindernder Druck besteht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte, wenigstens einen Fluidkanal zur Durchleitung eines Fluides, wenigstens eine Dichtung aus einem Dichtmaterial zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales, wobei die wenigstens eine Dichtung an einer Dichtungskontaktfläche einer Oberfläche der wenigstens einen Dichtung auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche einer Oberfläche einer Komponente der Brennstoffzelleneinheit aufliegt, wobei die Komponente an der Dichtungsgegenkontaktfläche eine kleinere Rauheit aufweist als die Oberfläche der Komponente außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche. Aufgrund der kleinen Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente sind die Brennstoffzelleneinheit mit einer geringen Druckkraft vorgespannt, weil ein kleiner Druck zwischen den Dichtungskontaktflächen der Dichtungen und den Dichtungsgegenkontaktflächen der Komponenten für eine Dichtheit der Fluidkanäle ausreichend ist. Als Folge hiervon ist in vorteilhafter Weise die Gasdiffusionsschicht lediglich mit einer geringen Druckkraft beansprucht an den Auflageflächen der Bipolarplatte zu der Gasdiffusionsschicht, sodass die Gasdiffusionsschicht einen sehr kleinen Strömungswiderstand für den Brennstoff und das Oxidationsmittel aufweist, das heißt eine gute Gasleitfähigkeit aufweist.
In einer ergänzenden Variante ist die Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente kleiner als 90%, 70%, 50%, 30%, 20% oder 10% der Rauheit der Komponente außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche.
Zweckmäßig ist die Oberfläche der Komponente mit der Dichtungsgegenkontaktfläche an der Dichtungsgegenkontaktfläche aus einem Kontaktmaterial ausgebildet und die Oberfläche der Komponente außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche ist aus einem Komponentenmaterial ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind das Kontaktmaterial und das Komponentenmaterial unterschiedliche Materialien und die Rauheit des Kontaktmateriales ist kleiner als die Rauheit des Komponentenmateriales.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Kontaktmaterial eine auf das Komponentenmaterial aufgebrachte Beschichtung.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Komponente an der Dichtungsgegenkontaktfläche eine kleinere Dicke auf als außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche, weil an der Dichtungsgegenkontaktfläche das Komponentenmaterial teilweise abgetragen ist. Die Dicke der Komponente der an der Dichtungsgegenkontaktfläche ist lediglich geringfügig kleiner als außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche, weil an der Dichtungsgegenkontaktfläche lediglich in einem geringen Umfang im Bereich von einigen Mikrometern das Komponentenmaterial abgetragen wird zur Verringerung der Rauheit. Im Bereich der Dichtungsgegenkontaktfläche ist somit eine Vertiefung mit einer kleinen Tiefe im Bereich von 2 µm bis 800 µm, insbesondere im Bereich von 10 µm bis 500 µm, ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstoffzelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Komponenten für Brennstoffzellen, zur Verfügung stellen von wenigstens einer Dichtung aus einem Dichtmaterial, Zusammenfügen der Komponenten und der wenigstens einen Dichtung der Brennstoffzellen zu den Brennstoffzellen und Zusammenfügen der Brennstoffzellen zu der Brennstoffzelleneinheit, so dass von der wenigstens einen Dichtung wenigstens ein Fluidkanal abgedichtet wird indem die wenigstens eine Dichtung an einer Dichtungskontaktfläche einer Oberfläche der wenigstens einen Dichtung auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche einer Oberfläche einer Komponente der Brennstoffzelleneinheit aufgelegt wird, wobei an der Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente ein Komponentenmaterial der Komponente abgetragen wird, so dass die Dichtungsgegenkontaktfläche von der abgetragenen Oberfläche der Komponente gebildet wird und/oder an der Komponente ein Kontaktmaterial aufgebracht wird, so dass die Dichtungsgegenkontaktfläche von dem aufgebrachten Kontaktmaterial gebildet wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung weist nach dem Abtragen und/oder Aufbringen die Komponente an der Dichtungsgegenkontaktfläche eine kleinere Rauheit auf als die Oberfläche der Komponente außerhalb der Dichtu ngsgegenkontaktfläche.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Abtragen und/oder Aufbringen vor dem Auflegen der Dichtungskontaktfläche der wenigstens einen Dichtung auf die Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante ist nach dem Abtragen des Komponentenmaterials und/oder nach dem Aufbringen des Kontaktmaterials die Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente kleiner als 90%, 70%, 50%, 30%, 20% oder 10% der Rauheit der Komponente außerhalb der Di chtu ngsgegen kontaktfläche.
Vorzugsweise wird das Abtragen des Komponentenmaterials und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials an der Oberfläche der Komponente im Wesentlichen ausschließlich an der Dichtungsgegenkontaktfläche der Komponente ausgeführt. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten ist es notwendig, das Abtragen des Komponentenmaterials und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials geringfügig größer, insbesondere bezüglich der Breite, auszuführen als die Dichtungskontaktfläche der Dichtung ausgebildet ist. Im Wesentlichen ausschließlich bedeutet vorzugsweise, dass die durch das Abtragen und/oder Aufbringen ausgebildete Dichtungsgegenkontaktfläche zwischen 1 % und 100 %, insbesondere zwischen 10 % und 80 %, größer ist als die korrespondierende Dichtungskontaktfläche der Dichtung.
In einer weiteren Variante wird das Abtragen des Komponentenmaterials von der Oberfläche der Komponente mittels Schleifen und/oder mechanischen Polieren und/oder chemischen Polieren und/oder Laserpolieren und/oder Läppen und/oder Honen, insbesondere Kurzhubhonen, und/oder Reiben ausgeführt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird das Aufbringen des Kontaktmaterials an der Oberfläche der Komponente mittels Gasphasenabscheidung, insbesondere chemische Gasphasenabscheidung und/oder physikalische Gasphasenabscheidung, und/oder mittels Flüssigbeschichtung, insbesondere Walzbeschichten und/oder Lackieren, ausgeführt.
Zweckmäßig ist die Komponente eine Bipolarplatte der Brennstoffzelle und das Abtragen des Komponentenmaterials und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials wird an der Oberfläche der Komponente an einer Seite der Bipolarplatte oder an beiden Seiten der Bipolarplatte ausgeführt.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Rauheit die Mittenrauheit oder die quadratische Rauheit oder die gemittelte Rautiefe. Die gemittelte Rautiefe mit dem Symbol R_z ist in DIN EN ISO 4287 aus dem Jahr 1984 definiert.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird für die physikalische Gasphasenabscheidung das Verdampfungsverfahren, insbesondere thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen und/oder Molekularstrahlpitaxie angewendet, und/oder Sputtern, insbesondere ionenstrahlgestützte Deposition, und/oder Ionenplattieren und/oder ICB-Technik.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird die chemische Gasphasenabscheidung mittels einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder mittels fokussierten Elektronen- oder lonenstrahlen das Abscheiden bei der chemischen Gasphasenabscheidung erreicht und/oder die chemische Gasphasenabscheidung erfolgt dadurch, dass das Kontaktmaterial als Reaktionsprodukt einer chemischen Reaktion aus Ausgangsstoffen aufgebracht wird.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird an weniger als 30, 20, 10 oder 5 % der Oberfläche der Komponente, insbesondere eine Bipolarplatte, das Abtragen des Komponentenmaterials und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials ausgeführt. Das Abtragen des Komponentenmaterials und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials wird somit im Wesentlichen nur an denjenigen Bereichen der Oberfläche der Komponente ausgeführt, an welchen später die Dichtung aufgelegt wird zur Ausbildung des Fluidkanals.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die gemittelte Rautiefe der Dichtungsgegenkontaktfläche kleiner als 10, 5, 1, 0,5, 0,1 oder 0,05 oder 0,01 µm. Die gemittelte Rautiefe mit dem Symbol R_z ist in DIN EN ISO 4287 aus dem Jahr 1984 definiert.
In einer weiteren Variante ist der Fluidkanal ein Kanal für Brennstoff und/oder ein Kanal für Oxidationsmittel und/oder ein Kanal für Kühlmittel.
In einer zusätzlichen Variante ist das Kontaktmaterial Keramik und/oder Kunststoff und/oder Metall und/oder eine metallorganische Verbindung.
Zweckmäßig ist die Komponente mit der Dichtungsgegenkontaktfläche eine Bipolarplatte und/oder ein Gehäuse und/oder eine Wandung eines Kanales und/oder eine Wandung einer Zufuhrleitung und/oder eine Wandung einer Abfuhrleitung.
In einer weiteren Ausführungsform wird mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit hergestellt und/oder das Verfahren wird gemäß wenigstens eines Merkmales der in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.
In einer zusätzlichen Variante werden als Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Gas mit Wasserstoff, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist eine Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,
5 einen Schnitt durch zwei Bipolarplatten mit aufgebrachten Kontaktmaterial und Dichtungen in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch zwei Bipolarplatten mit abgetragenen Komponentenmaterial und Dichtungen in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 einen vergrößerten Schnitt durch eine Bipolarplatte mit einer Sicke an dem aufgebrachten Kontaktmaterial und der Dichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel,
8 einen vergrößerten Schnitt durch eine Bipolarplatte mit einer Sicke an dem abgetragenen Komponentenmaterial und der Dichtung in einem vierten Ausführungsbeispiel,
9 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit aufgebrachten Kontaktmaterial und
10 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Brennstoffzelleneinheiten.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:
Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- --» 2 H₂O
Anode: 2 H₂ --» 4 H⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ --» 2 H₂O
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heiß verpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegender Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 17, 18, 25, 26, 27, 28 und die Kanäle 12, 13, 14 sowie der Gasraum 31 für Brennstoff und der Gasraum 32 für Oxidationsmittel bilden je einen Fluidkanal 37 zur Durchleitung eines Fluides.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
Die Dichtung 11 ist zwischen zwei Bipolarplatten 10 angeordnet und begrenzt dadurch den Fluidkanal 37 (5). Der Fluidkanal 37 ist somit von den Bipolarplatten 10 und der Dichtung 11 begrenzt und mittels der Dichtung 11 abgedichtet. Die Dichtung 11 weist eine Oberfläche 38 auf und die Bipolarplatte 10 als eine Komponente 56 der Brennstoffzelle 2 weist eine Oberfläche 41 auf. Ein Teil der Oberfläche 38 der Dichtung 11 bildet eine Dichtungskontaktfläche 42 aus und die Dichtungskontaktfläche 42 liegt auf einem Teil der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 auf, nämlich einer Dichtungsgegenkontaktfläche 43. Die Dichtungskontaktfläche 42 der Dichtung 11 liegt somit auf der Dichtungsgegenkontaktfläche 43 der Bipolarplatte 10 auf (5 und 6).
In einem ersten Ausführungsbeispiel zur Ausbildung der Dichtungskontaktfläche 42 ist lokal an der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 ein Kontaktmaterial 44 aufgebracht. Das Kontaktmaterial 44 weist die Eigenschaft auf, dass die Rauheit wesentlich kleiner ist als die Rauheit der übrigen Oberfläche 41 der Bipolarplatten 10 aus einem Komponentenmaterial 45. Dabei ist das Kontaktmaterial 44 lokal nur an denjenigen Bereichen der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 aufgebracht, auf welchen die Dichtungskontaktfläche 42 der Dichtung 11 aufgelegt ist. Das Kontaktmaterial 44 bildet somit eine Erhöhung 46 auf der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10. Die Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 und damit auch die Bipolarplatte 10 sind damit aus zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet, nämlich dem lokal aufgebrachten Kontaktmaterial 44, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, und das eigentlichen Komponentenmaterial 45, beispielsweise Stahl, aus welchem die Bipolarplatte 10 überwiegend hergestellt und ausgebildet ist. Die Schichtdicke des Kontaktmaterials 44, das heißt die Dicke der Erhöhung 46 des Kontaktmaterials 44 weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von 100 µm oder 200 µm auf.
In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der Dichtungsgegenkontaktfläche 43 abgebildet. Die Dichtungsgegenkontaktfläche 43 mit der kleineren Rauheit als die übrige Oberfläche 42 der Bipolarplatte 10 wird ausgebildet, indem mittels Polieren an der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 lokal des Komponentenmaterial 45 abgetragen wird. Die Tiefe einer durch das Abtragen hergestellten Vertiefung 47 aufgrund des Polierens weist beispielsweise eine Dicke von 100 µm bis 200 µm oder auch geringer, beispielsweise von ungefähr 50 µm, auf. Aufgrund dieser Oberflächenbehandlung mittels des Abtragens von Komponentenmaterial 45 lokal an den notwendigen Bereichen der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 kann dadurch eine kleine Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche 43 der Bipolarplatte 10 erreicht werden. Die gemäß in dem zweiten Ausführungsbeispiel in 6 herstellte Bipolarplatte 10 ist somit ausschließlich aus dem Komponentenmaterial 45 ausgebildet.
Das aufgebrachte Kontaktmaterial 44 kann auch im Bereich einer Sicke 48 der Bipolarplatte 10 aufgebracht werden als drittes Ausführungsbeispiel (7). Eine Sicke 48, welche mittels Umformen als eine Vertiefung mit im Wesentlichen einer Längsausdehnung hergestellt ist, hat den Vorteil, dass dadurch die Dichtung 11 besser positioniert werden kann beim Auflegen auf die Bipolarplatte 10. Die Tiefe der Sicke 48 ist wesentlich größer als die Dicke der Erhöhung 46.
In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel dargestellt und im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem in 7 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Dichtungsgegenkontaktfläche 43 ist als eine mittels Abtragen von Komponentenmaterial 45 hergestellte Vertiefung 47 in der Sicke 48 ausgebildet.
In 9 ist eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 10 dargestellt. An einem Teil der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 ist das Kontaktmaterial 44 im Wesentlichen linienartig aufgebracht, sodass dadurch das aufgebrachte Kontaktmaterial 44 eine Erhöhung 46 ausgebildet und das Kontaktmaterial 44 als Teil der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 die Dichtungsgegenkontaktfläche 43 ausbildet. In der Bipolarplatte 10 sind Öffnungen 49 eingearbeitet, welche zum Durchleiten von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel dienen, das heißt dadurch einen Kanal 12 für Brennstoff, einen Kanal 13 für Oxidationsmittel oder einen Kanal 14 für Kühlmittel bilden. Ein größerer Bereich der Oberfläche 41 ist von dem Kontaktmaterial 44 umschlossen zur Ausbildung eines Kanals 14 für Kühlmittel zwischen zwei Bipolarplatten 10 und das Kühlmittel wird durch die Öffnungen 49 ein- und ausgeleitet.
Bei der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 erfolgt somit zunächst ein Zur-Verfügung-Stellen 50 der Komponenten 56 der Brennstoffzelle 2, ein Zur-Verfügung-Stellen 51 der Dichtung 11 für die Brennstoffzelle 2, anschließend ein Abtragen 52 des Komponentenmaterials 45 von der Bipolarplatte 10 und/oder ein Aufbringen 53 des Kontaktmaterials 44 auf die Bipolarplatte 10. Anschließend erfolgt ein Zusammenfügen 54 der Komponenten 56 zu den Brennstoffzellen 2 und ein Zusammenfügen 55 der Brennstoffzellen 2 zu der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass von der wenigstens einen Dichtung 11 wenigstens ein Fluidkanal 37 abgedichtet wird indem die wenigstens eine Dichtung 11 an einer Dichtungskontaktfläche 42 einer Oberfläche 38 der wenigstens einen Dichtung 11 auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche 43 einer Oberfläche 41 einer Komponente 56 der Brennstoffzelleneinheit 1 aufgelegt wird.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Komponenten 56 der Brennstoffzelle 2, insbesondere die Bipolarplatte 10, werden vor dem Auflegen der Dichtung 11 linienartig bearbeitet, in dem lokal an einem linienartigen Bereich entweder ein Abtragen 52 des Komponentenmaterials 45 und/oder ein Aufbringen 53 des Kontaktmaterials 44 ausgeführt wird. Dadurch können an der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10 Lokalbereiche hergestellt werden, welche eine wesentlich kleinere Rauheit aufweisen als der übrige Bereich der Oberfläche 41 der Bipolarplatte 10. Die Bipolarplatte 10 weist zwei Seiten auf und dabei können entweder beide Seiten gemäß den oben beschriebenen Verfahren, das heißt dem Abtragen 52 und/oder dem Aufbringen 53 bearbeitet werden oder es kann nur eine Seite mit dem Abtragen 52 und/oder dem Aufbringen 53 bearbeitet werden. Dabei kann, sofern eine Seite nicht wie beschrieben bearbeitet worden ist, an dieser Seite die Dichtung 11 beispielsweise mittels Spritzgießen aufgebracht werden. Aufgrund der kleinen Rauheit der Dichtungsgegenkontaktflächen 43 ist bereits eine geringe, von den Spannplatten 34 auf die Brennstoffzellen 2 aufgebrachte Druckkraft ausreichend für eine Dichtheit der Fluidkanäle 47, welche von den Dichtungen 11 abgedichtet werden. Dadurch werden in vorteilhafter Weise auf die Gasdiffusionsschichten 9 lokal nur geringe Kräfte von den Bipolarplatten 10 auf die Gasdiffusionsschichten 9 aufgebracht (3), sodass dadurch die Gasdiffusionsschichten 9 lediglich mit sehr geringen Druckkräften von den Bipolarplatten 10 beaufschlagt sind. Dadurch wird die Porosität der Gasdiffusionsschichten 9 von der Druckkraft an den Bipolarplatten 10 nur vernachlässigbar beeinflusst, sodass die Gasdiffusionsschichten 9 eine hohe und gute Gasdurchlässigkeit und Gasleitfähigkeit aufweisen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Brennstoff und das Oxidationsmittel gut durch die Gasdiffusionsschichten 9 durchgeleitet werden und ferner kann Wasser, insbesondere Feuchtigkeit, gut aus der Gasdiffusionsschicht 9 abgeleitet werden. Dadurch weist die Brennstoffzelleneinheit 1 bei einem kompakten Aufbau eine große Leistung pro Masseneinheit auf. Dies ist insbesondere bei der Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik von erheblichem Vorteil.
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 10044703 A1 [0004]
DE 10158772 C2 [0005]
DE 19607947 C1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4287 [0022, 0026]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - Brennstoffzellen (2), die Brennstoffzellen (2) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9), eine Bipolarplatte (10), - wenigstens einen Fluidkanal (37) zur Durchleitung eines Fluides, - wenigstens eine Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales (37), - wobei die wenigstens eine Dichtung (11) an einer Dichtungskontaktfläche (42) einer Oberfläche (38) der wenigstens einen Dichtung (11) auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche (43) einer Oberfläche (41) einer Komponente (56) der Brennstoffzelleneinheit (1) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (56) an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) eine kleinere Rauheit aufweist als die Oberfläche (41) der Komponente (56) außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) der Komponente (56) kleiner ist als 90%, 70%, 50%, 30%, 20% oder 10% der Rauheit der Komponente (56) außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (41) der Komponente (56) mit der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) aus einem Kontaktmaterial (44) ausgebildet ist und die Oberfläche (41) der Komponente (56) außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) aus einem Komponentenmaterial (45) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial (44) und das Komponentenmaterial (45) unterschiedliche Materialien sind und die Rauheit des Kontaktmateriales (44) kleiner ist als die Rauheit des Komponentenmateriales (45).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial (44) eine auf das Komponentenmaterial (45) aufgebrachte Beschichtung ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (56) an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) eine kleinere Dicke aufweist als außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43), weil an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) das Komponentenmaterial (45) teilweise abgetragen ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 8 bis 15 hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 56) für Brennstoffzellen (2), - zur Verfügung stellen von wenigstens einer Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial, - Zusammenfügen der Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 56) und der wenigstens einen Dichtung (11) der Brennstoffzellen (2) zu den Brennstoffzellen (2) und Zusammenfügen der Brennstoffzellen (2) zu der Brennstoffzelleneinheit (1), so dass von der wenigstens einen Dichtung (11) wenigstens ein Fluidkanal (37) abgedichtet wird indem die wenigstens eine Dichtung (11) an einer Dichtungskontaktfläche (42) einer Oberfläche (38) der wenigstens einen Dichtung (11) auf einer Dichtungsgegenkontaktfläche (43) einer Oberfläche (41) einer Komponente (56) der Brennstoffzelleneinheit (1) aufgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) der Komponente (56) ein Komponentenmaterial (45) der Komponente (56) abgetragen wird, so dass die Dichtungsgegenkontaktfläche (43) von der abgetragenen Oberfläche (41) der Komponente (56) gebildet wird und/oder an der Komponente (56) ein Kontaktmaterial (44) aufgebracht wird, so dass die Dichtungsgegenkontaktfläche (43) von dem aufgebrachten Kontaktmaterial (44) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtragen und/oder Aufbringen die Komponente (56) an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) eine kleinere Rauheit aufweist als die Oberfläche (41) der Komponente (56) außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen und/oder Aufbringen vor dem Auflegen Dichtungskontaktfläche (42) der wenigstens einen Dichtung (11) auf die Dichtungsgegenkontaktfläche (43) der Komponente (56) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abtragen des Komponentenmaterials (45) und/oder nach dem Aufbringen des Kontaktmaterials (44) die Rauheit der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) der Komponente (56) kleiner ist als 90%, 70%, 50%, 30%, 20% oder 10% der Rauheit der Komponente (56) außerhalb der Dichtungsgegenkontaktfläche (43).
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen des Komponentenmaterials (45) und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials (44) an der Oberfläche (41) der Komponente (56) im Wesentlichen ausschließlich an der Dichtungsgegenkontaktfläche (43) der Komponente (56) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen des Komponentenmaterials (45) von der Oberfläche (41) der Komponente (56) mittels Schleifen und/oder mechanischen Polieren und/oder chemischen Polieren und/oder Laserpolieren und/oder Läppen und/oder Honen, insbesondere Kurzhubhonen, und/oder Reiben ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Kontaktmaterials (44) an der Oberfläche (41) der Komponente (56) mittels Gasphasenabscheidung, insbesondere chemische Gasphasenabscheidung und/oder physikalische Gasphasenabscheidung, und/oder mittels Flüssigbeschichtung, insbesondere Walzbeschichten und/oder Lackieren, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (56) eine Bipolarplatte (10) der Brennstoffzelle (1) ist und das Abtragen des Komponentenmaterials (45) und/oder das Aufbringen des Kontaktmaterials (44) an der Oberfläche (41) der Komponente (56) an einer Seite der Bipolarplatte (10) oder an beiden Seiten der Bipolarplatte (10) ausgeführt wird.