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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl zwischen zwei Endplatten aufgenommen Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfassen, wobei mindestens einer der Endplatten Medienzuführungen für die Einleitung der Reaktanten und beidseits der Membran jeder Brennstoffzelle für die Zuleitung und Verteilung der Reaktanten an die Anode und Kathode Polarplatten und Gasdiffusionslagen zugeordnet sind, umfassend die Schritte der Einleitung von Wasserdampf durch die Medienzuführungen und nachfolgend die Aufbringung einer Verpresskraft zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist. Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel in jeder Brennstoffzelle beidseits der Membran Polarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Des weiteren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
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Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich mehrerer Tonnen verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
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Es hat sich allerdings gezeigt, dass nach der Aufnahme des Betriebs einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Reduktion der Verpresskraft führen, insbesondere durch Setzungsvorgänge, die den Kompensationsbereich von Federsystem übersteigen, die zur Gewährleistung einer ausreichenden Verpressung und Verspannung eingesetzt werden. Dies erfordert bislang den Rückbau des Brennstoffzellenstapels und eine Wiederholung der Verpressung, was zeitaufwändig und kostenintensiv ist.
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In der
US 2014/0329166 A1 ist der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels erläutert, bei dem deformierbare Abstandshalter zur Kontrolle der Abmessungen genutzt werden. Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit zwischen Endplatten aufgenommen Brennstoffzellen ist auch aus der
US 2002/0041984 A1 bekannt. Die
JP 2014192085 A zeigt die Nutzung eines Brennstoffzellenstapels in einer solid oxide Brennstoffzelle.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Setzungsverhalten des Brennstoffzellenstapels nach dessen Montage verbessert werden kann. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es hat sich gezeigt, dass das Setzungsverhalten eines Brennstoffzellenstapels im Betrieb wesentlich durch das Verhalten der Gasdiffusionslagen beeinflusst wird, die aufgrund der nach der Betriebsaufnahme erfolgenden Befeuchtung ein verändertes und insbesondere stärker ausgeprägtes Setzungsverhalten zeige. Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit der Einleitung von (warmen) Wasserdampf wird erreicht, dass die befeuchtungsbedingte Änderung des Setzungsverhaltens bereits während der Montage des Brennstoffzellenstapels initiiert wird, so dass dies bei der Verpressung entsprechend berücksichtigt wird. Dabei werden die in Serie mit mindestens einer Feder angeordneten Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mithilfe von mindestens einem Zugelement verpresst, dem die mindestens eine Feder zugeordnet ist, wobei die Feder dazu dient, Schwankungen der Spannkraft im Betrieb auszugleichen, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung. Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen.
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Dabei ist vorgesehen, dass das mindestens eine Zugelement nach dem Verpressen festgelegt wird, um so die gewünschte Spannkraft dauerhaft bereit zu stellen. Das Festlegen kann durch Verschweißen, aber auch durch Verschrauben oder Verklemmen erfolgen.
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Dabei ist vorgesehen, dass vor dem Festlegen die Einleitung von Wasserdampf durch die Medienzuführungen beendet wird, um so einen Gegendruck zu vermeiden, der durch eine erhöhte Spannkraft kompensiert werden müsste.
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Für die Praxis als besonders geeignet hat es sich gezeigt, wenn die die Medienzuführungen aufweisende erste Endplatte mit einer Wasserdampfleitung verbunden und in eine Stapelaufnahme einer Stapelpresse eingelegt wird, wenn die Brennstoffzellen auf dieser ersten Endplatte gestapelt und mit der das Spannsystem aufweisenden zweiten Endplatte bedeckt werden, wobei die erste Endplatte in der Stapelaufnahme der Stapelpresse abgedichtet wird. Dabei kann dann auch das Verpressen in mehreren Stufen erfolgen, wobei die Verpresskraft in aufeinander folgenden Stufen jeweils erhöht wird. Dadurch wird erreicht, dass das initiale Setzungsverhalten der Gasdiffusionslagen vollständig ausgeschöpft wird und keine weiteres latentes Setzungspotential während des Betriebs die Kompensationsmöglichkeit des Federsystems überschreiten kann.
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Die vorstehend genannten Vorteile wirken und gelten sinngemäß auch bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem nach den vorstehend genannten Verfahren hergestellten Brennstoffzellenstapel sowie einem Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines zwischen zwei Endplatten verspannten Brennstoffzellenstapels, wobei eine der Endplatten über Federelemente gegen eine Federkappe abgestützt ist.
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Ein Brennstoffzellenstapel 2 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter und zwischen zwei Endplatten angeordneter Brennstoffzellen 3, wobei jede der Brennstoffzellen 3 eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran aufweist. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Polarplatten, die im Inneren des Brennstoffzellenstapels auch als Bipolarplatten ausgeführt sein können, wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, wobei Gasdiffusionslagen für eine Gleichverteilung der Reaktanten genutzt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 →4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/E lektronenaufnahm e).
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Bei dem in der 1 schematisch gezeigten Brennstoffzellenstapel 2 sind die Brennstoffzellen 3 zwischen zwei Endplatten 1, 8 angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der oberen Endplatte 8 symbolisiert ein Federpaket 4 zugeordnet, das die Endplatte 8 gegenüber einer Federkappe 5 abstützt, wobei seitlich an dem Brennstoffzellenstapel 2 zwei Zugbänder 6 von der Federkappe 5 über die zweite Endplatte 8 zu der ersten Endplatte 1 verlaufen, so dass die Brennstoffzellen 3 in dem Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Verpresskraft verspannt sind. Die obere Endplatte 1 weist des weiteren Medienzuführungen 9 auf, durch die die Reaktanten den Brennstoffzellen 3 zugeführt werden können.
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Ein derartiger Brennstoffzellenstapel 2 kann gemäß dem nachstehend geschilderten Verfahren zusammen gebaut werden, das insbesondere dem Setzungsverhalten der Komponenten jeder Brennstoffzelle 3 und damit des Brennstoffzellenstapels 2 insgesamt Rechnung trägt.
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Dazu wird zunächst die die Medienzuführungen 9 aufweisende erste Endplatte mit einer Wasserdampfleitung 9 verbunden und in eine Stapelaufnahme einer Stapelpresse eingelegt wird. Dabei wird die erste Endplatte 1 in der Stapelaufnahme der Stapelpresse abgedichtet. Sodann werden die Brennstoffzellen 3 auf dieser ersten Endplatte 1 gestapelt und mit der das Spannsystem aufweisenden zweiten Endplatte 8 bedeckt. Sobald diese vorbereitenden Schritte ausgeführt sind, kann die Einleitung von warmen Wasserdampf durch die Medienzuführungen 9 erfolgen, wodurch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionslagen beeinflusst wird und insbesondere eine vollständige oder nahezu vollständige Ausschöpfung des Setzungspotentials der Gasdiffusionslagen erfolgt, so dass diese im regulären Betrieb keine weitere Setzungsreserve besitzen. In diesem Zustand erfolgt dann nachfolgend die Aufbringung einer Verpresskraft zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 2, wobei die in Serie mit mindestens einer Feder angeordneten Brennstoffzellen 3 des Brennstoffzellenstapels 2 mithilfe von mindestens einem Zugelement, nämlich den Zugbändern 6 verpresst werden, dem die mindestens eine Feder zugeordnet ist. Dabei wird das mindestens eine Zugelement nach dem Verpressen festgelegt, beispielsweise verschweißt, um die erreichte Spannkraft für die gewünschte Verpressung dauerhaft zu sichern.
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Dabei besteht insbesondere die Möglichkeit, dass vor dem Verschweißen die Einleitung von Wasserdampf durch die Medienzuführungen 9 beendet wird, um einen Gegendruck durch den Wasserdampf zu vermeiden.
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Das Verpressen erfolgt in mehreren Stufen, wobei die Option besteht, dass die Verpresskraft in aufeinander folgenden Stufen jeweils erhöht wird.
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Ein derartig hergestellter Brennstoffzellenstapel 2 zeigt im Betrieb in einer Brennstoffzellenvorrichtung ein verbessertes Setzungsverhalten und gewährleistet länger eine ausreichende Spannkraft für die gute Abdichtung, so dass auch eine verbesserte Eignung besteht für die Verwendung der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Endplatte
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Feder
- 5
- Federkappe
- 6
- Zugband
- 8
- zweite Endplatte
- 9
- Medienzuführungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0329166 A1 [0005]
- US 2002/0041984 A1 [0005]
- JP 2014192085 A [0005]
