DE102020206901A1

DE102020206901A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020206901A1
Application number: DE102020206901.8A
Authority: DE
Inventors: Tatjana Miokovic; Thomas Waldenmaier; Marcus Hansel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen und die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, wobei je eine Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) als eine E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) den Werkstoff expanded austenite umfasst.

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 10.
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 sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen übereinander in einem Stapel als Stack angeordnet.
Für die Herstellung und Montage von Brennstoffzellen ist es notwendig, die Komponenten der Brennstoffzellen fluchten gestapelt übereinander anzuordnen. Bei der Herstellung müssen somit die Komponenten mit einem Roboter bewegt werden. An dem Roboter ist eine Fixierungsvorrichtung zum temporären Fixieren von Komponenten vorhanden. Bipolarplatten als eine Komponente der Brennstoffzellen können aus einer dünnen Schicht nichtmagnetischem austenitischem Stahl als Metallschaum ausgebildet werden. Aufgrund der porösen Eigenschaften des Metallschaumes können vakuumbasierte Greifsauger nicht eingesetzt werden. Auch Elektrohebemagnete als eine Fixierungsvorrichtung können zum Bewegen der Bipolarplatten, d. h. zum temporären Fixieren an einem Roboterarm, nicht eingesetzt werden, weil die Bipolarplatten aus dem nichtmagnetischen austenitischen Stahl ausgebildet sind. Dies ist nachteilig, weil somit eine aufwendige, kostenintensive und fehleranfällige manuelle Montage der Bipolarplatten notwendig ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen und die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei je eine Komponente der Brennstoffzellen als eine E-Komponente den Werkstoff expanded austenite umfasst. Aufgrund des Werkstoffes expanded austenite ist die E-Komponente magnetisch und kann mit einem Elektrohebemagneten an einem Roboter bewegt und montiert werden. E-Komponenten sind somit Komponenten der Brennstoffzellen, die den Werkstoff expanded austenite umfassen, d. h. den Werkstoff mit dem Zustand expanded austenite.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Werkstoff expanded austenite magnetische Eigenschaften, insbesondere ferromagnetische Eigenschaften, auf, zum Bewegen der E-Komponente mit einem Elektrohebemagneten während der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit.
In einer ergänzenden Variante weist der Werkstoff expanded austenite eine Gitterstruktur aus Metall, insbesondere Eisen, auf mit einer Anreicherung der Gitterstruktur mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Dicke der E-Komponente kleiner als 3 mm, 2 mm oder 1 mm. Aufgrund der kleinen Dicke und der porösen Eigenschaften der E-Komponente kann ein vakuumbasierte Greifsauger zum Bewegen der E-Komponente während der Montage zu der Brennstoffzelleneinheit nicht eingesetzt werden, weil aufgrund der Luftdurchlässigkeit von dem Greifsauger an der Oberfläche der E-Komponente kein ausreichender Unterdruck aufgebaut werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die E-Komponente wenigstens teilweise, vorzugsweise zu wenigstens 50 Masse-%, 70 Masse-%, 80 Masse-% oder 90 Masse-%, insbesondere vollständig, aus austenitischem Stahl, insbesondere korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, und expanded austenite ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist an der E-Komponente an einer ersten Seite wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, eine Schicht aus dem expanded austenite ausgebildet, vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen 1 µm und 150 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 80 µm. Die Schicht aus dem expanded austenite wird in einer Behandlungskammer mit einem Prozessstoff bei einer Prozesstemperatur ausgebildet.
Vorzugsweise ist an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der E-Komponente kein expanded austenite ausgebildet, so dass im Querschnitt der E-Komponente nur an einem Teilbereich der ersten Seite das expanded austenite ausgebildet ist.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist die E-Komponente die Bipolarplatte oder ein Teil der Bipolarplatte. Die E-Komponente bildet somit wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, die Bipolarplatte je einer Brennstoffzelle.
In einer weiteren Variante ist die Brennstoffzelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass Brennstoffzellen ausgebildet werden und gestapelte Brennstoffzellen die Brennstoffzelleneinheit ausbilden, wobei je eine Komponente der Brennstoffzellen als eine E-Komponente dahingehend zur Verfügung gestellt wird, dass diese den Werkstoff expanded austenite umfasst.
In einer weiteren Variante wird je eine E-Komponente, insbesondere Bipolarplatte, mit einem Elektrohebemagnet an einem Roboter temporär fixiert, anschließend der an dem Roboter befestigte Elektrohebemagnet mit der E-Komponente eine Bewegung im Raum ausführt und anschließend die Fixierung der E-Komponente an dem Elektrohebemagnet gelöst wird, so dass die E-Komponente auf einer anderen Komponente einer Brennstoffzelle aufgelegt und fluchtend gestapelt wird und vorzugsweise dieser Vorgang mehrfach wiederholt wird. Die E-Komponente, insbesondere Bipolarplatte, kann damit einfach von dem Roboter montiert werden ohne dass dies aufwendig, teuer und fehleranfällig manuell ausgeführt werden müsste.
Zweckmäßig wird die je eine E-Komponente mit dem Werkstoff expanded austenite zur Verfügung gestellt indem die E-Komponente ohne den Werkstoff expanded austenite aus einem nichtmagnetischen metallischen Ausgangswerkstoff in eine Behandlungskammer eingeführt wird, anschließend die E-Komponente in der Behandlungskammer auf eine Prozesstemperatur erwärmt wird und die E-Komponente in der Behandlungskammer einem Prozessstoff, insbesondere Prozessgas, ausgesetzt wird, so dass, insbesondere mittels Nitrieren und/oder Nitrocarburieren, der Ausgangswerkstoff in den magnetischen Werkstoff, insbesondere ferromagnetischen Werkstoff, expanded austenite umgewandelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Werkstoff expanded austenite aus einem Ausgangswerkstoff mit einer Gitterstruktur aus Metall, insbesondere austenitischem Stahl, in den Werkstoff expanded austenite mit einer Anreicherung der Gitterstruktur aus Metall, insbesondere Eisen, mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff umgewandelt. In dem Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit wird somit in der Behandlungskammer mit dem Prozessstoff bei der Prozesstemperatur Stickstoff und/oder Kohlenstoff in der Gitterstruktur aus Metall angereichert, insbesondere in der Schicht aus dem expanded austenite an der Oberfläche der E-Komponente.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt die Prozesstemperatur zwischen 300°C und 800°C, insbesondere zwischen 420°C und 480°C und/oder die Prozesszeit zwischen 4 h und 24 h. Prozesstemperaturen über 480°C und Prozesszeiten länger als 24 h werden im Allgemeinen vermieden, um eine Verminderung der Korrosionsbeständigkeit an der E-Komponente, insbesondere Bipolarplatte, aufgrund der Ausscheidung von Nitriden, Carbonnitriden oder Carbiden zu vermeiden. Bei einer Prozesstemperatur zwischen 420°C und 480°C sind Prozesszeiten zwischen 4 h und 24 h notwendig, wobei je höher die Prozesstemperatur ist, desto kleiner die Prozesszeit ist und umgekehrt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden als Prozessstoff für das Nitrieren und/oder Nitrocarburieren Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff, Luft, Sauerstoff und/oder Lachgas eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die E-Komponente wenigstens teilweise, vorzugsweise zu wenigstens 50 Masse-%, 70 Masse-%, 80 Masse-% oder 90 Masse-%, insbesondere vollständig, aus einem Metallschaum, vorzugsweise austenitischen Stahl, insbesondere korrosionsbeständigem austenitischen Stahl, und expanded austenite ausgebildet. Der expanded austenite ist auch ein Metallschaum, jedoch mit Anreicherung von Stickstoff und/oder Kohlenstoff, in dem Metallgitter. Aufgrund der porösen Eigenschaften des Metallschaumes können vakuumbasierte Greifsauger für die Montage der E-Komponente nicht verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Oberfläche der E-Komponente an wenigstens 5%, 10%, 30%, 50% oder 70% der Oberfläche der E-Komponente aus dem Werkstoff expanded austenite ausgebildet.
In einer weiteren Variante wird während des Erwärmens der E-Komponente in der Behandlungskammer die Komponente einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, Argon und/oder Helium, ausgesetzt, insbesondere indem das Inertgas durch die Behandlungskammer geleitet wird oder während des Erwärmens der E-Komponente in der Behandlungskammer wird ein Vakuum erzeugt.
In einer weiteren Variante wird während des Abkühlens der E-Komponente in der Behandlungskammer die Komponente einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, Argon und/oder Helium, ausgesetzt oder während des Abkühlens der E-Komponente in der Behandlungskammer wird ein Vakuum erzeugt.
Vorzugsweise wird die E-Komponente vor dem Entfernen der E-Komponente aus der Behandlungskammer auf eine Temperatur T zwischen 15° C und 55° C abgekühlt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Verfahren mit mehreren E-Komponenten in der Behandlungskammer simultan ausgeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein metallisches, schichtförmiges Bauteil ohne expanded austenite, an welchem mit dem Verfahren später das expanded austenite ausgebildet wird, als eine E-Komponente betrachtet.
Vorzugsweise ist die Oberflächenhärte des expanded austenite größer als 800, 1000, 1100 oder 1200 HV.
In einer weiteren Variante werden während der Ausbildung des expanded austenite in der Behandlungskammer keine Nitride, Carbonnitride und/oder Carbide an den E-Komponenten ausgebildet. Aufgrund der Prozesstemperatur in der Behandlungskammer kleiner als 480°C zwischen 420° C und 480° C und/oder einer Prozesszeit zwischen 4 h und 24 h werden keine Nitride, Carbonnitride, Carbide, Chromnitrid und/oder Chromcarbid an den E-Komponenten ausgebildet, so dass die E-Komponente korrosionsbeständig ist.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
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, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten und/oder E-Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
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 die Brennstoffzelleneinheit gemäß 4,
6 einen Querschnitt einer E-Komponente der Brennstoffzelle vor der Ausbildung der Schicht aus dem Werkstoff expanded austenite,
7 einen Querschnitt der E-Komponente der Brennstoffzelle nach der Ausbildung der Schicht aus dem Werkstoff expanded austenite,
9 ein Diagramm der Temperatur T und der Konzentration c eines Prozessgases in Abhängigkeit von der Zeit t für das Nitrieren und/oder Nitrocarburieren der E-Komponente,
Fig..9 eine Ansicht einer Behandlungskammer zum Nitrieren und/oder Nitrocarburieren der E-Komponente,
10 eine Ansicht eines Roboters zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit.

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 H₂ 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 Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, 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 heißverpresst 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 Nation®, 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. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt 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 sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
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 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 und 5 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 50 als Bolzen 51 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 51 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
Die scheibenförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 sind Protonenaustauschermembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10. Die Bipolarplatten 10 werden zusätzlich auch als E-Komponente 38 bezeichnet. Die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 sind ebene schichtförmige Gebilde, welche jeweils eine fiktive Eben 37 aufspannen (3, 6 und 7). Die von den Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 aufgespannten fiktiven Ebenen 37 sind dabei parallel zueinander ausgerichtet. Die Bipolarplatten 10 sind aus dem Werkstoff des korrosionsbeständigem austenitischen Stahl 41 bzw. Austenit 41 ausgebildet als ein poröser Metallschaum und weisen eine Dicke kleiner als 1 mm, beispielsweise von 0,7 mm, auf. Die scheibenförmigen Bipolarplatten 10 weisen senkrecht zu der fiktiven Ebene 37 eine erste Seite 39 und eine zweite Seite 40 auf (6 und 7).
Für die Herstellung der Brennstoffzelle 2, d. h. dem zur Verfügung stellen der zu montierenden Bipolarplatten 10 als E-Komponenten 38, werden die Bipolarplatten 10 zunächst ausschließlich aus dem Werkstoff austenitischer Stahl 41 (6) zur Verfügung gestellt. Diese Bipolarplatte 10 wird in einer Behandlungskammer 47 (9) angeordnet. Die Behandlungskammer 47 begrenzt einen Innenraum 48 der Behandlungskammer 47 und in dem Innenraum 48 ist eine Auflageplatte 49 für die Bipolarplatte 10 vorhanden. Die zweite Seite 40 wird auf die Auflageplatte 49 aufgelegt, so dass die gesamte erste Seite 39 dem Gas in dem Innenraum 48 ausgesetzt ist. Anschließend wird der Innenraum 48 mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium, befüllt und anschließend während der Befüllung des Innenraumes 48 mit Inertgas der Innenraum 48 zusammen mit dem Inertgas, der Auflageplatte 49 und der Bipolarplatte 10 auf eine Prozesstemperatur T von 400°C bis 650°C, vorzugsweise 420°C bis 480°C, erwärmt. Ein Erwärmen auf eine Prozesstemperatur über 480°C wird im Allgemeinen vermieden, weil dies zu Ausscheidungen, z. B. von Nitriden, Carbonnitriden und/oder Carbiden, führen kann und dies die Korrosionsbeständigkeit der Bipolarplatte 10 reduzieren würde, weil für die Bipolarplatte 10 eine Korrosionsbeständigkeit notwendig ist. Das Erwärmen der Bipolarplatte 10 als der E-Komponente 38 kann abweichend hiervon nicht während der Beaufschlagung mit Inertgas, sondern während eines Vakuums in dem Innenraum 48 ausgeführt werden. Nach dem Erreichen der Prozesstemperatur T wird in den Innenraum 48 der Behandlungskammer 47 ein Prozessstoff, nämlich ein Prozessgas, beispielsweise Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff, Luft Sauerstoff und/oder Lachgas, in den Innenraum 48 eingeleitet und die Prozesstemperatur T konstant gehalten für eine Zeit t von ungefähr 48 h als Prozesszeit. Dem Prozessgas können optional auch Aktivatoren zur Oberflächenaktivierung der Bipolarplatte 10 zugesetzt sein.
Das Prozessgas bewirkt ein Nitrieren und/oder Nitrocarburieren der Bipolarplatte 10 an der ersten Seite 39, welche dem Prozessgas ausgesetzt ist, während die Bipolarplatte 10 auf die Prozesstemperatur aufgewärmt ist, so dass sich eine Schicht 42 aus dem Werkstoff expanded austenite 42 an der ersten Seite 39 ausbildet. Die Schicht 42 weist eine Dicke von ungefähr 5 µm bis 30 µm auf und in der Schicht sind in der Gitterstruktur des austenitischen Stahls Stickstoff und/der Kohlenstoff angeordnet. Dadurch wird der nichtmagnetische austenitische Stahl in eine Modifikation und Zustand des magnetischen austenitischen Stahls, insbesondere ferromagnetischen Stahl, an der Schicht 42 aus dem expanded austenite umgewandelt. Ferner wird dadurch an der Schicht 42 die Härte erhöht, beim Carburieren auf eine Härte größer als 800 HV, beim Nitrieren auf eine Härte größer als 1000 HV und beim Nitrocarburieren auf eine Härte größer als 1100 HV. Nach der Behandlung, d.h. der Herstellung der magnetischen Schicht 42 aus expanded austenite, erfolgt ein Abkühlen des Innenraumes 48 auf eine Temperatur im Bereich zwischen 20°C und 50°C. Vor und vorzugsweise während dem Abkühlen wird in den Innenraum 48 das Inertgas eingeleitet, so dass während das Abkühlens die Bipolarplatte 10 dem Inertgas ausgesetzt ist. Abweichen hiervon ist während des Abkühlens der Bipolarplatte 10 in dem Innenraum 48 ein Vakuum. Anschließend wird die Bipolarplatte 10 dem Innenraum 48 entnommen und für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 verwendet. Dieser Vorgang der Herstellung der Schicht 42 kann in der Behandlungskammer 47 wiederholt werden. In 8 ist an der Abszisse die Zeit t während der Herstellung der Schicht 42 aus dem expanded austenite in der Behandlungskammer 47 aufgetragen und an der Ordinate die Prozesstemperatur T in dem Innenraum 48 der Behandlungskammer 47 sowie mit einer strichlierten Linie die Konzentration c des Prozessstoffes in dem Innenraum 48.
Ein Roboter 43 weist Roboterarme 44 und Robotergelenke 45 auf (10). An einem Endbereich eines Roboterarmes 44 ist ein Elektrohebemagnet 46 befestigt. Für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 ist es notwendig, die Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 fluchtend übereinander zu stapeln. Die Bipolarplatten 10 mit der Schicht 42 aus dem expanded austenite 42 werden nach dem Prozess in der Behandlungskammer 47 auf Vorrat gelagert. Für die Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wird von dem Roboter 43 der Elektrohebemagnet 46 zu dem Vorrat bewegt und der Elektrohebemagnet 46 auf die erste Seite 39 der Bipolarplatte 10 mit der Schicht 42 aus dem expanded austenite 42 aufgelegt oder in einem geringen Abstand zu der Schicht 42 gehalten. Anschließend wird die Spule des Elektromagneten in dem Elektrohebemagneten 46 bestromt, so dass ein Magnetfeld entsteht. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften des expanded austenite 42 kann mit der entstehenden Magnetkraft die Bipolarplatte 42 von dem Vorrat angehoben und zu dem Stapel der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 bewegt und auf einer anderen Komponente 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 genau abgelegt werden und anschließend wird die Bestromung des Elektromagneten in dem Elektrohebemagneten 46 wieder abgeschalten, so dass keine Magnetkräfte mehr zwischen dem Elektrohebemagneten 46 und der Bipolarplatte 10 wirken. Der Elektrohebemagnet 46 fixiert somit während der Bestromung der Spule temporär die Bipolarplatte 10. An dem Roboterarm 44 des Roboters 43 sind vorzugsweise drei Elektrohebemagnete 46 (nicht dargestellt) befestigt, damit die Bipolarplatte 10 mit einer Dreipunktlagerung von dem Vorrat zu der Montageposition in dem Stapel der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 genau bewegt werden kann.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Bipolarplatte 10 als Komponente 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelle 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 kann aufgrund der magnetischen Eigenschaften an dem expanded austenite mit dem Roboter 43 mittels des Elektrohebemagneten 46 von dem Vorrat in die Montageposition am Stapel der Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 bewegt werden. Die porösen Eigenschaften der dünnen Bipolarplatte 10 erlauben nicht den Einsatz von vakuumbasierten Greifsaugern. Ein aufwendiges, teures und fehleranfälliges manuelles Bewegen der Bipolarplatte 10 ist damit nicht notwendig. Auch andere Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzelleneinheit 1 können wie oben beschrieben mit dem expanded austenite 42 versehen werden, so dass auch diese von dem Elektrohebemagneten 46 bewegt und montiert werden können.

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) und die Brennstoffzellen (2) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) umfassen und - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) sind, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (2) als eine E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) den Werkstoff expanded austenite (42) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff expanded austenite (42) magnetische Eigenschaften, insbesondere ferromagnetische Eigenschaften, aufweist, zum Bewegen der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit einem Elektrohebemagneten (46) während der Herstellung der Brennstoffzelleneinheit (1).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff expanded austenite (42) eine Gitterstruktur aus Metall, insbesondere Eisen, aufweist mit einer Anreicherung der Gitterstruktur mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) kleiner als 3 mm, 2 mm oder 1 mm ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus austenitischem Stahl (41), insbesondere korrosionsbeständigem austenitischem Stahl, und expanded austenite (42) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) an einer ersten Seite (39) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, eine Schicht (42) aus dem expanded austenite (42) ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen 1 µm und 150 µm, insbesondere zwischen 2 µm und 80 µm.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der ersten Seite (39) gegenüberliegenden zweiten Seite (40) der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) kein expanded austenite (42) ausgebildet ist, so dass im Querschnitt der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) nur an einem Teilbereich der ersten Seite (39) das expanded austenite (42) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) die Bipolarplatte (10) ist oder ein Teil der Bipolarplatte (10) ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 10 bis 15 hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) von Brennstoffzellen (2), nämlich Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), - Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) zu Stapeln, so dass Brennstoffzellen (2) ausgebildet werden und gestapelte Brennstoffzellen (2) die Brennstoffzelleneinheit (1) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen als eine E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) dahingehend zur Verfügung gestellt wird, dass diese den Werkstoff expanded austenite (42) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass je eine E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10), insbesondere Bipolarplatte (10), mit einem Elektrohebemagnet (46) an einem Roboter (43) temporär fixiert wird, anschließend der an dem Roboter (43) befestigte Elektrohebemagnet (46) mit der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) eine Bewegung im Raum ausführt und anschließend die Fixierung der E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) an dem Elektrohebemagnet (46) gelöst wird, so dass die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) auf einer anderen Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) einer Brennstoffzelle (2) aufgelegt und fluchtend gestapelt wird und vorzugsweise dieser Vorgang mehrfach wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) mit dem Werkstoff expanded austenite (42) zur Verfügung gestellt wird indem die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) ohne den Werkstoff expanded austenite (42) aus einem nichtmagnetischen metallischen Ausgangswerkstoff in eine Behandlungskammer (47) eingeführt wird, anschließend die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) in der Behandlungskammer (47) auf eine Prozesstemperatur erwärmt wird und die E-Komponente (5, 6, 7, 8, 9, 10) in der Behandlungskammer (47) einem Prozessstoff, insbesondere Prozessgas, ausgesetzt wird, so dass, insbesondere mittels Nitrieren und/oder Nitrocarburieren, der Ausgangswerkstoff in den magnetischen Werkstoff, insbesondere ferromagnetischen Werkstoff, expanded austenite (42) umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff expanded austenite (42) aus einem Ausgangswerkstoff (41) mit einer Gitterstruktur aus Metall, insbesondere austenitischem Stahl, in den Werkstoff expanded austenite (42) mit einer Anreicherung der Gitterstruktur aus Metall, insbesondere Eisen, mit Stickstoff und/oder Kohlenstoff umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur zwischen 300°C und 800°C, insbesondere zwischen 420°C und 480°C liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessstoff für das Nitrieren und/oder Nitrocarburieren Ammoniak, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff, Luft, Sauerstoff und/oder Lachgas eingesetzt werden.