DE102021206208A1

DE102021206208A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit

Info

Publication number: DE102021206208A1
Application number: DE102021206208.3A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-12-22
Also published as: CN117501482A; WO2022263394A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), wobei die Gasdiffusionsschichten (9) dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise 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 in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden.
Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
Bei der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden schichtförmige Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, zu einem Stack mit Brennstoffzellen gestapelt. Die Gasdiffusionsschichten werden dabei aufgrund der Anordnung auf die Bipolarplatten aufgelegt. Die Gasdiffusionsschichten weisen eine kleine Masse und ein geringes spezifisches Gewicht auf. Aus diesem Grund können die Gasdiffusionsschichten nach dem Auflegen auf die Bipolarplatten leicht verrutschen, beispielsweise aufgrund von Luftströmungen, sodass eine Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten in einer Richtung parallel zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Dies bedeutet, dass nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten und vor der Anordnung einer weiteren schichtförmigen Komponente, beispielsweise einer Membranelektrodenanordnung mit der Anode, Kathode und der Protonenaustauschermembran, eine weitere aufwändige korrekte Ausrichtung der Gasdiffusionsschichten relativ zu den Bipolarplatten notwendig ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Gasdiffusionsschichten dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten einen magnetischen Werkstoff umfassen. Der magnetische Werkstoff, mit welchem die Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt werden, ist beispielsweise ein weichmagnetischer Werkstoff, ein halbharter magnetische Werkstoff oder ein Dauermagnetwerkstoff. Die Bipolarplatten aus Metall, insbesondere mit Eisen, sind aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet, sodass dadurch zwischen den Bipolarplatten und den Gasdiffusionsschichten eine magnetische Kraft auftritt, welche eine Druckkraft zwischen den Kontaktflächen der Bipolarplatten und der Gasdiffusionsschichten bewirkt. Diese Druckkraft bedingt dadurch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen der Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten, sodass dadurch in vorteilhafter Weise nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten keine Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten in einer Richtung parallel zu den von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Kräfte, beispielsweise aufgrund von Luftbewegungen, sind dadurch nicht mehr ausreichend um eine Relativbewegung zwischen den Bipolarplatten und den Gasdiffusionsschichten zu bewirken.
In einer weiteren Variante werden die Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten mit einem magnetischen Werkstoff aufgelegt, so dass die Gasdiffusionsschichten mit einer magnetischen Kraft zu den Bipolarplatten angezogen werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird aufgrund der aus der magnetischen Kraft resultierenden Druckkraft an Kontaktflächen zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird auf je eine Bipolarplatte eine Gasdiffusionsschicht aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit der einen Gasdiffusionsschicht eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen wird. Die magnetische Kraft zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte in der Montageeinheit bewirkt eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte, sodass dadurch während der Bewegung der Zwischenmontageeinheit zu dem bereits teilweise gestapelten Stack keine Relativbewegung zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu den von den schichtförmigen Komponenten Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Damit kann in vorteilhafter Weise die Zwischenmontageeinheit von einem Roboter mit einer hohen Geschwindigkeit und hieraus resultierenden starken Luftströmungen zu dem teilweise gestapelten Stack bewegt werden.
Zweckmäßig werden auf je eine Bipolarplatte eine Gasdiffusionsschicht und eine Membranelektrodenanordnung aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsschicht und der Membranelektrodenanordnung eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen wird.
Vorzugsweise ist in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht zwischen der Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung werden auf je eine Bipolarplatte zwei Gasdiffusionsschichten und eine Membranelektrodenanordnung aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit den zwei Gasdiffusionsschichten und der Membranelektrodenanordnung eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschichten mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen werden.
In einer ergänzenden Variante ist in der Zwischenmontageeinheit eine erste Gasdiffusionsschicht zwischen der Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet und die Membranelektrodenanordnung ist zwischen der ersten und einer zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet.
In einer weiteren Variante werden in einem Zwischenschritt die Zwischenmontageeinheiten hergestellt und anschließend werden die Zwischenmontageeinheiten auf einen bereits teilweise gestapelten Stack mit gestapelten elektrochemischen Zellen aufgelegt. Vorzugsweise werden die in dem Zwischenschritt hergestellten Zwischenmontageeinheiten mit einem Roboter zu dem bereits teilweise hergestellten Stack bewegt.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die Gasdiffusionsschichten mit wenigstens einem magnetischen Greifer während der Herstellung bewegt indem die Gasdiffusionsschichten mit magnetischen Kräften von den magnetischen Greifern angezogen werden und der wenigstens eine magnetische Greifer von einem Roboter bewegt wird. Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine magnetische Greiferje eine bestrombare Spule als Elektromagnet, sodass bei einem Durchleiten von Strom durch die Spule ein Elektromagnet vorhanden ist zur Ausbildung einer magnetischen Kraft zwischen der Spule und der Gasdiffusionsschicht und zum Bewegen der Gasdiffusionsschicht während der bestromten Spule und bei einer abgeschalteten Spule keine magnetische Kraft zwischen der Spule und der Gasdiffusionsschicht wirkt, sodass bei der abgeschalteten Spule die Gasdiffusionsschicht auf eine schichtförmige Komponente, insbesondere die Bipolarplatte, abgelegt wird oder ablegbar ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die Gasdiffusionsschichten mit wenigstens einem magnetischen Greifer während der Herstellung zu den Bipolarplatten bewegt und auf die Bipolarplatten aufgelegt indem die Gasdiffusionsschichten mit magnetischen Kräften von dem wenigstens einem magnetischen Greifer angezogen werden, so dass die Zwischenmontageeinheiten gebildet werden und der wenigstens eine magnetische Greifer von einem Roboter bewegt wird.
Vorzugsweise ist der magnetische Werkstoff in den Gasdiffusionsschichten Fullerene als Modifikation des Kohlenstoffes. Fullerene sind eine Modifikation des Kohlenstoffes und weisen beispielsweise eine Summenformel von C₆₀ oder C₇₀ auf. Die Fullerene sind mit einem sehr hohen Druck, beispielsweise von mehr als 10 bar, 40 bar, 50 bar oder 100 bar und/oder einer hohen Temperatur, insbesondere wenigstens 50°C, 100 °C, 200 °C oder 500 °C, polymerisiert und weisen dadurch magnetische Eigenschaften auf.
In einer weiteren Variante ist der magnetische Werkstoff von Partikel aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Material, gebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfassen die Partikel als Nanopartikel das Material Eisen, insbesondere Eisenoxid, und die Nanopartikel sind in Röhrchen als Nanotubes, insbesondere in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes aus Kohlenstoff, angeordnet sind. Zweckmäßig weisen die Nanotubes einen Durchmesser kleiner als 300 nm, 200 nm oder 100 nm auf. Vorzugsweise sind die Nanotubes aus Kohlenstoff, Bornitrid oder Titandioxid ausgebildet. Vorzugsweise sind die Nanopartikel aus einem paramagnetischen Eisenoxid ausgebildet. Zweckmäßig weisen die Nanotubes einen Durchmesser zwischen 200 nm und 400 nm auf. Zweckmäßig werden die Nanopartikel mittels Gasphasenabscheidung in und/oder auf die Nanotubes aufgebracht, insbesondere auch auf Membranen, aufgebracht.
Erfindungsgemäßes Elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder die Gasdiffusionsschichten einen magnetischen Werkstoff umfassen, so dass die Gasdiffusionsschichten mit einer magnetischen Kraft von den Bipolarplatten angezogen sind.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weisen die Partikel aus dem magnetischen Material in den Gasdiffusionsschichten einen Durchmesser kleiner als 50 µm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 30 µm, insbesondere zwischen 5 nm und 10 µm, auf.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Partikel aus dem magnetischen Material mit einem Bindemittel und/oder Klebstoff mit den Gasdiffusionsschichten verbunden.
Vorzugsweise sind die Membranelektrodenanordnungen von je einer Protonenaustauschermembran, je einer Anode und je einer Kathode gebildet, insbesondere als CCM (catalyst coated membran) mit Katalysatormaterial in den Anoden und Kathoden.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens 50, 100 oder 200 gestapelte elektrochemische Zellen.
In einer weiteren Variante wird mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene elektrochemischen Zelleneinheit hergestellt.
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.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie.
Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einer weiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
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 Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, 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 Elektrolysezellen 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 oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
7 eine Seitenansicht eines Roboters,
8 eine perspektivische Ansicht einer ersten Bipolarplatte vor dem Auflegen einer Gasdiffusionsschicht auf die Bipolarplatte,
9 eine perspektivische Ansicht der ersten Bipolarplatte mit der aufgelegten Gasdiffusionsschicht und einer Membranelektrodenanordnung vor dem Auflegen auf die Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht und
10 eine perspektivische Ansicht der ersten Bipolarplatte mit der nicht dargestellten aufgelegten Gasdiffusionsschicht und aufgelegter Membranelektrodenanordnung vor dem Auflegen einer zweiten Bipolarplatte auf die Membranelektrodenanordnung, Gasdiffusionsschicht und erste Bipolarplatte mit einer an einer Unterseite der zweiten Bipolarplatte angeordneten weiteren, nicht dargestellten Gasdiffusionsschicht.

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 gestapelt 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 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 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 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). 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.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nafion®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 (2 und 3) wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
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 als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) 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 als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 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 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid 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 und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 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. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (9 und 10) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. 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 erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten 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 erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 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 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (9 und 10) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47.
Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H₂SO₄) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃0⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
Kathode: 4 H₃0⁺ + 4 e^- → 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O → O₂ + 4 H₃0⁺ + 4 e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H₂ als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H₂ von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O₂ als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O₂ wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege-Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
In 7 ist ein Roboter 61 zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Der Roboter 61 umfasst Roboterarme 62 und Robotergelenke 63. An einem Endbereich eines letzten Roboterarmes 62 sind eine Prozesseinheit 65 als ein magnetischer Greifer 66 und eine Kamera 64 befestigt. Der magnetische Greifer 66 mit einer Spule als Elektromagneten ist mit einem motorisch bewegbaren Kugelgelenk (nicht dargestellt) an dem letzten Roboterarm 62 befestigt. Ein Computer 67 mit einem Prozessor und einem Datenspeicher steuert der Roboter 61. In dem Datenspeicher sind Positionsdaten zur vorgesehenen geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 und/oder zur relativen Position des Roboters 61 zu dem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit 53 gespeichert. Die Kamera 64 erfasst optisch Bilder der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 und mit einer Bildverarbeitungssoftware in dem Computer 67 wird die tatsächliche relative Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 zu dem Roboter 48 erfasst. Die Steuerung der Bewegung des Roboters 61 erfolgt somit in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten vorgesehenen Positionsdaten und/oder den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 relativ zu dem Roboter 48. Die gespeicherten Positionsdaten können somit mit den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 relativ zu dem Roboter 61 korrigiert werden, so dass in vorteilhafter Weise Abweichungen in der geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6, beispielsweise aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten, keine Auswirkungen auf die Herstellung haben. Zusätzlich weist der Roboter 61 einen nicht dargestellten mechanischen Greifer auf.
Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten von elektrochemischen Zellen 52. Die schichtförmigen Komponenten sind beispielsweise bei einer Brennstoffzelleneinheit 1 eine Protonenaustauschermembran 5, eine Anode 7, eine Kathode 8, eine Gasdiffusionsschicht 9 und eine Bipolarplatte 10. Dabei bilden die Anode 7, die Kathode 8 und die Protonenaustauschermembran 5 eine Membranelektrodenanordnungen 6 bei denen in die Anode 7 und die Kathode 8 CCM (catalyst coated membrane) bei der die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich mit einem Katalysatorstoff versehen sind, sodass die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich eine Katalysatorschicht 30 bilden. Die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzellen 2 werden zu einem beispielsweise in 3 und 4 dargestellten Stapel als Stack gestapelt.
Die Gasdiffusionsschichten 9 werden dahingehend hergestellt und zur Verfügung gestellt, dass diese magnetischen Eigenschaften aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gasdiffusionsschichten 9 teilweise mit einem magnetischen Werkstoff versehen sind als Partikel. Diese Partikel als Nanopartikel sind in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes angeordnet. Abweichend oder zusätzlich können in den Gasdiffusionsschichten 9 auch Fullerene als Modifikation des Kohlenstoffes als ein magnetischer Werkstoff angeordnet sein. Die Bipolarplatten 10 sind im Wesentlichen aus Eisen ausgebildet und sind dadurch ebenfalls aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet.
In 8 ist ein Herstellungsschritt zur Herstellung einer Zwischenmontageeinheit 70 aus der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 dargestellt. Für die Herstellung der Zwischenmontageeinheit 70 wird von dem Roboter 61 mit einem mechanischen Greifer oder einem Saugreifer (nicht dargestellt) von einem nicht dargestellten Stapel mit Bipolarplatten 10 eine Bipolarplatte 10 auf eine nicht dargestellte Auflagefläche aufgelegt. Anschließend wird von dem Roboter 61 mit dem magnetischen Greifer 66 eine Gasdiffusionsschicht 9 von einem nicht dargestellten Stapel mit Gasdiffusionsschichten 9 angehoben indem eine Spule (nicht dargestellt) in dem magnetischen Greifer 66 bestromt wird, sodass sich dadurch Magnetkräfte ausbilden mithilfe derer die Gasdiffusionsschicht 9 angehoben werden kann aufgrund magnetischer Kräfte einerseits zwischen dem magnetischen Greifer 66 als Elektromagneten mit der bestromten Spule und andererseits dem magnetischen Werkstoff in der Gasdiffusionsschicht 9. Dabei werden mehrere Roboter 61 eingesetzt oder an einem Roboter 61 sind im Allgemeinen mehrere magnetische Greifer 66 an einem entsprechenden Gestänge angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht 9 kann dadurch ohne mechanische Beschädigung der Gasdiffusionsschicht 9 einfach auf die Bipolarplatte 10 aufgelegt werden, sodass gemäß der Darstellung in 9 die Gasdiffusionsschicht 9 auf einer Oberseite der Bipolarplatte 10 aufgelegt.
Diese in 9 dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 kann optional zu einem bereits teilweise hergestellten Stapel der Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Roboter 61 bewegt werden, beispielsweise mittels mechanischen Greifern und/oder den magnetischen Greifern 66. In 9 ist zusätzlich die Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt. In der Membranelektrodenanordnung 6 ist die Protonenaustauschermembran 5 von einer Abdichtschicht 68 als einem Subgasket 69 umschlossen. In dem Subgasket 69 sind außerdem die Fluidöffnungen 41 ausgebildet. Die Membranelektrodenanordnung 6 in 10 bildet eine CCM, weil in die Anode 7 und die Kathode 8 Katalysatormaterial eingearbeitet ist. In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Membranelektrodenanordnung 6 auf die Gasdiffusionsschicht 9 und auf die Bipolarplatte 10 aufgelegt, so dass die Gasdiffusionsschicht 9 zwischen der Membranelektrodenanordnung 6 und der Bipolarplatte 10 angeordnet ist gemäß der Darstellung der Zwischenmontageeinheit 70 in 10. In 10 umfasst die Zwischenmontageeinheit 70 somit die Bipolarplatte 10, die Gasdiffusionsschicht 9 und die Membranelektrodenanordnung 6. Optional kann diese Zwischenmontageeinheit 70 zu dem bereits teilweise gestalten Stapel bzw. Stack mit den Brennstoffzellen 2 mittels des Roboters 61 bewegt werden.
Abweichend hiervon kann zusätzlich auf die in 10 unten dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 mit der Bipolarplatte 10, der Gasdiffusionsschicht 9 und der Membranelektrodenanordnung 6 zusätzlich eine weitere zweite Bipolarplatte 10 aufgelegt werden. Bei der in 10 dargestellten oberen zweiten Bipolarplatte 10 liegt auf der nicht dargestellten Unterseite der Bipolarplatte 10 eine weitere zweite Gasdiffusionsschicht 9 auf. Die zweite Gasdiffusionsschicht 9 ist von magnetischen Kräften zwischen der Gasdiffusionsschicht 9 und der Bipolarplatte 10 an der Bipolarplatte 10 befestigt. Dies wurde beispielsweise dadurch erreicht, dass von dem Roboter 61 auf diese Unterseite der Bipolarplatte 10 eine Gasdiffusionsschicht 9 aufgelegt wurde und anschließend mit einem anderen Roboter 61 diese Bipolarplatte 10 mit der aufgelegten Gasdiffusionsschicht 9 um 180° gedreht wurde in die Position in 10 und anschließend mit diesem anderen Roboter 61 die Bipolarplatte 10 mit der unten aufliegenden Gasdiffusionsschicht 9 auf die in 10 dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 aufgelegt wird. Dadurch wird eine weitere größere Zwischenmontageeinheit 70 gebildet, umfassend die erste und zweite Bipolarplatte 10 außenseitig an dieser Zwischenmontageeinheit 70 sowie den zwei Gasdiffusionsschichten 9 und der Membranelektrodenanordnung 6 als CCM, welche zwischen den zwei Gasdiffusionsschichten 9 angeordnet ist. Dieser Zwischenmontageeinheit 70 wird anschließend mit dem Roboter 61 und magnetischen Greifern 66 und/oder mechanischen Greifern zu dem nur teilweise gestapelten Stapel mit den Brennstoffzellen 2 bewegt. Diese oben beschriebenen Vorgänge werden immer wieder wiederholt bis beispielsweise eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Stapel mit 400 Brennstoffzellen 2 hergestellt ist.
Die oben beschriebenen Vorgänge können in analoger Weise auch zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 verwendet werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund des magnetischen Werkstoffes in den Gasdiffusionsschichten 9 können die Gasdiffusionsschichten 9 temporär an den magnetischen Greifern 66 des Roboters 61 fixiert werden und zusätzlich treten die magnetischen Kräfte zwischen den Bipolarplatten 10 aus Stahl bzw. Eisen und den Gasdiffusionsschichten 9 auf. Die sehr gegenüber mechanischen Beschädigungen empfindlichen Gasdiffusionsschichten 9 können dadurch in vorteilhafter Weise ohne der Verwendung von mechanischen Greifern zerstörungsfrei und zuverlässig von den magnetischen Greifern 66 während des gesamten Herstellungsverfahrens mittels des Roboters 61 bewegt werden. Mechanische Greifer haben ein hohes Risiko einer mechanischen Beschädigung der empfindlichen Gasdiffusionsschichten 9. Darüber hinaus gewährleisten die magnetischen Kräfte zwischen den Bipolarplatten 10 und den Gasdiffusionsschichten 9 nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten 9 auf die Bipolarplatten 10 einen Ausschluss einer Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten 9 und den Bipolarplatten 10 in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 59. Dadurch können in vorteilhafter Weise Zwischenmontageeinheiten 70 von dem Roboter 61 mit der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 mit einer hohen Geschwindigkeit im Raum bewegt werden ohne dass die hieraus resultierende Luftbewegung eine Relativbewegung zwischen der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 auslöst. Eine Nachjustierung von bereits auf die Bipolarplatte 10 aufgelegte Gasdiffusionsschichten 9 ist somit in vorteilhafter Weise nicht mehr notwendig. Außerdem können die Gasdiffusionsschichten 9 aufgrund der magnetischen Kräfte auch an einer Unterseite der Bipolarplatte 10 für eine Optimierung des Herstellungsverfahrens mittels magnetischer Kräfte fixiert werden. Dies ermöglicht insgesamt eine sichere, zuverlässige, kostengünstige und exakte Herstellung von elektrochemischen Zelleneinheiten 53.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), - Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) auf die Bipolarplatten (10) mit einem magnetischen Werkstoff aufgelegt werden, so dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit einer magnetischen Kraft zu den Bipolarplatten (10) angezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der aus der magnetischen Kraft resultierenden Druckkraft an Kontaktflächen zwischen den Gasdiffusionsschichten (9) und den Bipolarplatten (10) eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) eine Gasdiffusionsschicht (9) aufgelegt wird, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit der einen Gasdiffusionsschicht (9) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) eine Gasdiffusionsschicht (9) und eine Membranelektrodenanordnung (6) aufgelegt werden, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit der Gasdiffusionsschicht (9) und der Membranelektrodenanordnung (6) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) zwei Gasdiffusionsschichten (9) und eine Membranelektrodenanordnung (6) aufgelegt werden, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit den zwei Gasdiffusionsschichten (9) und der Membranelektrodenanordnung (6) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschichten (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenmontageeinheit (70) eine erste Gasdiffusionsschicht (9) zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist und die Membranelektrodenanordnung (6) zwischen der ersten und einer zweiten Gasdiffusionsschicht (9) angeordnet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenschritt die Zwischenmontageeinheiten (70) hergestellt werden und anschließend die Zwischenmontageeinheiten (70) auf einen bereits teilweise gestapelten Stack mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) aufgelegt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit wenigstens einem magnetischen Greifer (66) während der Herstellung bewegt werden indem die Gasdiffusionsschichten (9) mit magnetischen Kräften von den magnetischen Greifern (66) angezogen werden und der wenigstens eine magnetische Greifer (66) von einem Roboter (61) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit wenigstens einem magnetischen Greifer (66) während der Herstellung zu den Bipolarplatten (10) bewegt und auf die Bipolarplatten (10) aufgelegt werden indem die Gasdiffusionsschichten (9) mit magnetischen Kräften von dem wenigstens einem magnetischen Greifer (66) angezogen werden, so dass die Zwischenmontageeinheiten (70) gebildet werden und der wenigstens eine magnetische Greifer (66) von einem Roboter (61) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff in den Gasdiffusionsschichten (9) Fullerene als Modifikation des Kohlenstoffes ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff von Partikel aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Material, gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel als Nanopartikel das Material Eisen, insbesondere Eisenoxid, umfassen und die Nanopartikel sind in Röhrchen als Nanotubes, insbesondere in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes aus Kohlenstoff, angeordnet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und/oder die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen, so dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit einer magnetischen Kraft von den Bipolarplatten (10) angezogen sind.