-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle - insbesondere eine Brennstoffzelle - und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle
-
Stand der Technik
-
Elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, mit Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweis aus der Offenlegungsschrift
DE102015218117 (A1 ). Die Membran-Elektroden-Anordnungen weisen dabei üblicherweise eine Membran und auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht auf, optional auch noch Diffusionslagen. Die Membran und die Elektrodenschichten sind an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur eingefasst, oft wird hier auch von einem Subgasket gesprochen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine elektrochemische Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte so zur Verfügung zu stellen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber der Bipolarplatte, insbesondere auch bei einem Stapelprozess, gegen Verrutschen gesichert ist. Eine ausreichende Verbindung der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte soll gewährleistet sein. Ein positionsgenaues Stapeln der einzelnen Komponenten zu einem Zellenstapel aus mehreren elektrochemischen Zellen wird dadurch ermöglicht.
-
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle umfasst dazu eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist mit der Bipolarplatte mittels eines Kunststoffniets verbunden. Bevorzugt ist der Kunststoffniet dazu aus einem thermoplastischen Material gebildet.
-
Dadurch wird ein relatives Verrutschen der Bipolarplatte zu der Membran-Elektroden-Anordnung verhindert. Der Kunststoffniet bildet zu einem einen Kraft- und/oder Formschluss in der Plattenebene - also senkrecht zu einer Stapelrichtung z - zwischen dem Positioniermerkmal und der Bipolarplatte aus, so dass er Querkräfte gegen Verrutschen übertragen kann. Durch das Verhindern der Verschiebung des Verbunds aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung können für den Stapelprozess, also für das Stapeln einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, sehr enge Toleranzen des so gefertigten Zellenstapels eingehalten werden.
-
Der Form- bzw. Kraftschluss des Kunststoffniets zur Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung dient nicht nur dem Sichern gegen Verrutschen, sondern auch dem Sichern gegen Abheben der Membran-Elektroden-Anordnung von der Bipolarplatte. Dies ist während der Fertigung insbesondere bei Transport- oder Greifprozessen sehr vorteilhaft, so dass mehrere elektrochemische Zellen schnell übereinandergestapelt werden können, ohne dass funktionelle Flächen nicht mehr passgenau zueinander liegen.
-
Selbstverständlich können auch mehrere derartige Kunststoffniete - besonders bevorzugt zwei oder drei - ausgebildet sein, so dass eine eindeutige Lage der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte definiert wird.
-
Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese insbesondere an die PEM angeordnet sind und beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Bevorzugt umfasst die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
-
Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
-
In vorteilhaften Ausführungen ragt der Kunststoffniet durch eine in der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildete MEA-Bohrung. Die MEA-Bohrung kann dabei während des Nietprozesses in die Membran-Elektroden-Anordnung gestanzt werden oder dort schon vorher eingebracht worden sein. Bevorzugt ist die MEA-Bohrung dabei zylindrisch ausgeführt, es sind jedoch auch andere Bohrungsformen möglich.
-
In bevorzugten Weiterbildungen ist die MEA-Bohrung in einer Rahmenstruktur der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet. Die Rahmenstruktur fasst eine aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung ein. Die Rahmenstruktur ist vorzugsweise umlaufend ausgeführt. Somit können eine Membran und die beiden Elektroden besonders vorteilhaft in der Rahmenstruktur eingefasst sein. Des Weiteren ist die Rahmenstruktur im Querschnitt insbesondere U-förmig oder Y-förmig zur Aufnahme der Membran und der beiden Elektroden zwischen den Schenkeln der U-Form bzw. Y-Form ausgebildet.
-
Die Rahmenstruktur ist eine nicht-aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung. Die Anbringung des Kunststoffniets in der Rahmenstruktur reduziert also nicht die aktive Fläche und somit den Wirkungsgrad der elektrochemischen Zelle.
-
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung umfasst die Bipolarplatte eine erste Verteilerplatte und eine zweite Verteilerplatte. Die erste Verteilerplatte wirkt mit der Membran-Elektroden-Anordnung zusammen. Der Kunststoffniet ragt durch eine in der ersten Verteilerplatte ausgebildete erste Bohrung. Ein Nietkopf des Kunststoffniets ist zumindest teilweise in einer in der zweiten Verteilerplatte ausgebildeten zweiten Bohrung versenkt. Dadurch ist der Kunststoffniet sehr platzsparend angeordnet. Weiterhin verursacht der Nietkopf so keine Schäden an der Membran-Elektroden-Anordnung der nächsten, benachbarten elektrochemischen Zelle. Dazu ist der Nietkopf besonders bevorzugt vollständig in der zweiten Bohrung versenkt.
-
Vorteilhafterweise ist der Durchmesser der zweiten Bohrung größer als der Durchmesser der ersten Bohrung. Somit kann der Kunststoffniet die erste Verteilerplatte gegen die Membran-Elektroden-Anordnung verspannen und gleichzeitig quasi in der zweiten Verteilerplatte versenkt werden.
-
Vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle nach einer der obigen Ausführungen.
-
Das Verfahren umfasst dabei insbesondere die Schritte:
- • Positionieren der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte.
- • Umformen des Kunststoffniets mittels eines Heißstempels, so dass ein Formschluss zu der Bipolarplatte und/oder zu der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet wird.
-
Der Heißstempel kann den Kunststoffniet schnell und mit großen Umformgraden umformen, so dass die Verbindung zwischen Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung sehr kostengünstig und konstruktiv flexibel gestaltet werden kann.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
-
Es zeigen schematisch:
- 1 den Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 in einer perspektivischen Explosionsansicht eine elektrochemische Zelle aus dem Stand der Technik mit einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung aus dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
-
1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
-
Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet. Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 (MEA). Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein. Optional können eine oder beide Diffusionslagen 5, 6 auch wegfallen, sofern die Verteilerplatten 7, 8 für ausreichend homogene Gaszuführungen sorgen können.
-
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
-
Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
-
Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst.
-
2 zeigt schematisch die Anordnung einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 zwischen zwei Bipolarplatten 20 in perspektivischer Explosionsdarstellung. In 2 sind auch Verteileröffnungen 30 zu sehen, welche sowohl in der Membran-Elektroden-Anordnung 1 als auch in den Bipolarplatten 20 in Form von Ausnehmungen gebildet sind. Beim Übereinanderstapeln der elektrochemischen Zellen 100 bilden die Verteileröffnungen 30 dann Verteilerkanäle in Stapelrichtung z, von denen die einzelnen Kanäle 11 der gestapelten elektrochemischen Zellen 100 mit Medien versorgt werden. Vorteilhafterweise haben jede Membran-Elektroden-Anordnung 1 und jede Bipolarplatte 20 insgesamt sechs Verteileröffnungen 30, nämlich je einen Ein- und Auslass für die drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium.
-
Für einen Zellenstapel, welcher aus mehreren - beispielsweise bis zu 500 - elektrochemischen Zellen 100 besteht, müssen also dementsprechend viele Membran-Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 alternierend gestapelt werden. Hierbei müssen die Bipolarplatten 20 und Membran-Elektroden-Anordnungen 1 positionsgenau aufeinander platziert werden, um die bestmögliche Überlappung der funktionellen Bereiche und damit die Funktion des gesamten Zellenstapels zu gewährleisten. Funktionelle Bereiche sind dabei beispielsweise die Kanäle 11 und Stege 12, oder aber auch die Verteileröffnungen 30 oder nicht dargestellte Dichtungen.
-
Um beim Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 zu einem Zellenstapel ein positionsgenaues Stapeln ohne Verrutschen zu gewährleisten, wird nun die Membran-Elektroden-Anordnung 1 an die Bipolarplatte 20 angeheftet. Dies kann direkt beim Stapeln der einzelnen Zellen 100 zu einem Zellenstapel erfolgen. Für die vorliegende Erfindung werden jedoch jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer Bipolarplatte 20 verbunden und anschließend die so entstandenen Zellen 100 zu einem Zellenstapel gestapelt, ausgerichtet und schließlich verpresst. Die Schreibweise „Zelle“ betrifft dann genau genommen nicht eine einzelne funktionsfähige elektrochemische Zelle 100, welche aus der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und je einer Hälfte von zwei Bipolarplatten 20 - also den beiden Verteilerplatten 7, 8 - besteht, sondern eben die Verbindung einer ganzen Bipolarplatte 20 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 1.
-
3 zeigt eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist in ihrer Mitte eine aktive Fläche 15 auf. Hier sind zumindest die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4- optional auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 - angeordnet. Die aktive Fläche 15 wirkt in den elektrochemischen Zellen 100 dann mit den Kanälen 11 und Stegen 12 der Verteilerplatten 7, 8 bzw. der Bipolarplatten 20 zusammen. Die aktive Fläche 15 ist von einer Rahmenstruktur 16 eingefasst, in vorliegender Ausführung ist die Rahmenstruktur 16 die aktive Fläche 15 über den gesamten Umfang umgebend ausgeführt. In der Rahmenstruktur 16 sind die Verteileröffnungen 30 für die Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium ausgebildet.
-
Erfindungsgemäß ist nun die Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit der Bipolarplatte 20 mit einem Kunststoffniet 40 verbunden, welcher bevorzugt aus einem thermoplastischen Material besteht.
-
4 zeigt dazu in einem Vertikalschnitt einen Ausschnitt einer elektrochemischen Zelle 100 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 und einer Bipolarplatte 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Gezeigt ist die elektrochemische Zelle 100 im Bereich der Rahmenstruktur 16, die Membran selbst ist vorteilhafterweise außerhalb des Ausschnitts der 4.
-
In der Rahmenstruktur 16 ist in der Membran-Elektroden-Anordnung 1 eine MEA-Bohrung 1a ausgebildet. In der ersten Verteilerplatte 7 ist eine erste Bohrung 7a ausgebildet. In der zweiten Verteilerplatte 8 ist eine zweite Bohrung 8a ausgebildet. Dabei ist es unwesentlich, welche der beiden Verteilerplatten 7, 8 kathodenseitig und welche anodenseitig angeordnet ist.
-
Der Kunststoffniet 40 ist durch alle drei Bohrungen hindurchgeführt: durch die MEA-Bohrung 1a, durch die erste Bohrung 7a und durch die zweite Bohrung 8a. Dabei zeigen die 4a den Kunststoffniet 40 im unverstemmten Zustand und die 4b im verstemmten Zustand. Die 4b zeigt weiterhin ein Presswerkzeug 50 in Form eines zweiteiligen Heißstempels 51, 52 zum Verstemmen des Kunststoffniets 40, so dass er - wie in 4b gezeigt - Hinterschnitte zur Membran-Elektroden-Einheit 1 und Bipolarplatte 20 ausbildet.
-
Das Presswerkzeug 50 ist in dieser Ausführung zweiteilig ausgeführt, mit einem Umformstempel 51 und einem Gegenhalter 52. Bevorzugt ist der Umformstempel 51 dabei als Heißstempel ausgeführt. Bevorzugt ist der Kunststoffniet 40 aus thermoplastischen Materialien gebildet, welche mittels Heißstempel auf einfache Weise sehr große Umformgrade erfahren können.
-
Nach dem Umformen sind an dem Kunststoffniet 40 eine erste Hinterschnittfläche 40a und eine zweite Hinterschnittfläche 40b ausgebildet, wie in 4b zu erkennen ist. In Stapelrichtung z betrachtet wirkt die erste Hinterschnittfläche 40a formschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 zusammen und die zweite Hinterschnittfläche 40b formschlüssig mit der Bipolarplatte 20. Bevorzugt wirkt dabei die erste Hinterschnittfläche 40a mit der ersten Verteilerplatte 7 zusammen, welche wiederum mit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 zusammenwirkt. Dadurch kann der Nietkopf 40c - in diesem Fall der Schließkopf - des Kunststoffniets 40 in der Bipolarplatte 20, genauer in der zweiten Bohrung 8a der zweiten Verteilerplatte 8 versenkt werden. In dieser Ausführung ist der Kunststoffniet 40 sehr platzsparend angeordnet. Die zweite Bohrung 8a muss dafür einen größeren Durchmesser aufweisen als die erste Bohrung 7a.
-
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 102015218117 A1 [0002]
