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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl an Brennstoffzellen, die aufeinander gestapelt sind, wobei jede Brennstoffzelle zwei Monopolarplatten aufweist, zwischen welchen eine MEA angeordnet ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, welche zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt werden. Der Brennstoffzellenstapel ist mehrteilig ausgebildet, und weist abwechselnd übereinander angeordnete Membranelektrodeneinheiten (MEA) und Bipolarplatten auf. Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie durch Reaktion von beispielsweise Wasserstoff an der Anode und Sauerstoff an der Kathode.
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Die
WO 2020/088887 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle aus folien- oder blattförmigen Einzellagen. Die Einzellagen werden dabei aus einen bahnförmigen Material gebildet, welches entsprechend der Einzellagen perforiert ist. Nach einem Heraustrennen der Einzellagen, werden diese zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt.
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Heutige Brennstoffzellenfahrzeuge werden lediglich in moderaten Stückzahlen hergestellt, wodurch der Zusammenbau und die Konzepte für die Gewährleistung der Dichtheit nicht für eine Massenproduktion geeignet sind. Zumeist werden hier an die Bipolarplatten angebrachte Elastomerdichtungen verwendet, welche dann im Zusammenbau verpresst werden. Die Aufbringung von Elastomeren oder thermoplastischen Dichtungen ist sehr zeitaufwändig und für eine Massenproduktion eher ungeeignet.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt somit darin, einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, welcher einfacher und wirtschaftlicher herstellbar ist. Darüber hinaus liegt die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen von Anspruch 6, gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Monopolarplatten und/oder die MEA des Brennstoffzellenstapels als bandförmiges Material ausgebildet ist, welches quer zur Erstreckung des bandförmigen Materials Falzknickstellen aufweist, an denen das bandförmige Material zu einem Stapel gefaltet ist.
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Unter einem bandförmigen Material im Sinne der Erfindung wird verstanden, dass die Monopolarplatten und/oder die MEA in Form eines Bandes miteinander verbunden sind. Es werden bei dem bandförmigen Material somit keine Einzelplatten verwendet. Dies hat den Vorteil, dass das bandförmige Material auf einer Rolle gelagert und von dieser direkt verarbeitet werden kann. Die Falzknickstelle ist dabei eine Stelle, an welcher das bandförmige Material geknickt ist. An dieser Knickstelle wird eine technisch fluid- und gasdichte Verbindung zwischen den Zellen gebildet, so dass Schritte zur Herstellung einer dichten Verbindung reduziert werden können. Dadurch wird Zeit zum Herstellen einer dichten Verbindung eingespart.
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Bei dem Falten des bandförmigen Materials werden abwechselnd auf sich gegenüber liegenden Seiten die Knickstellen angeordnet. Durch das Falten der bandförmigen Materialien zu einem Stapel, kann auf einen anschließenden separaten Schritt zum Stapeln der Brennstoffzellen verzichtet werden. Zusätzlich wird die Anzahl an Einzelteilen für einen solchen Brennstoffzellenstapel reduziert, so dass die Logistikkosten verringert werden können. Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann somit schneller, einfacher und wirtschaftlicher hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die MEA in Form von Einzelplatten zwischen den bandförmigen Monopolarplatten eingebracht. Dadurch kann auch MEA-Material, welches nicht mehr für eine bandförmige Fertigung ausreicht verarbeitet werden. Somit kann das gesamte MEA-Material verbraucht werden, so dass kaum Reststücke von dem MEA-Material übrig bleiben. Die Herstellungskosten können somit weiter reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind mehrere aus zwei einzelnen Monopolarplatten bestehende Bipolarplatte, als Einzelplatten zwischen die bandförmige MEA eingebracht. Aufgrund der Faltung der bandförmigen MEA ist diese bei benachbarten Bipolarplatte auf entgegengesetzten Seiten geöffnet. Dadurch wird vermieden, dass sich benachbarte Bipolarplatten berühren, wodurch eine Gefahr von Kurzschlüssen ausgeschlossen wird.
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Vorzugsweise sind die Monopolarplatten aus einem Polymer/Kohlenstoff-Gemisch gebildet. Vorzugsweise wird dabei für die Monopolarplatten ein Duroplast oder Thermoplast Material verwendet. Dieses Material hat den Vorteil, dass es im Vergleich zu Metall deutlich weniger anfällig für Korrosion und günstiger ist. Darüber hinaus kann bei Verwendung von einem Kunststoffmaterial, gegenüber anderen Materialien Gewicht eingespart werden, so dass ein solcher Brennstoffzellenstapel wesentlich leichter ist.
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Die Monopolarplatten können dabei als Einzelplatten oder als bandförmiges Material verwendet werden. Bei einer Verwendung als bandförmiges Material sind die Monopolarplatten als Kunststofffolie mit Kohlenstoff ausgebildet, welche auf einer Rolle lagerbar ist. Um eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten wird die Folie nach dem Prägen vorzugsweise über eine chemische Reaktion wie beispielsweise verdunsten von Lösungsmittel, UV-Härten, Abkühlen oder Zugabe eines weiteren chemischen Elementes verfestigt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Monopolarplatten aus einer korrosionsbeständigen Metalllegierung gebildet. Als korrosionsbeständige Metalllegierung wird hier vorzugsweise ein Edelstahlmaterial oder Titan eingesetzt. Ein Brennstoffzellenstapel, welcher ein Metall verwendet, kann gegenüber beispielsweise einem Kunststoffmaterial bei höheren Temperaturen betrieben werden, so dass beispielsweise der Kühlmittelstrom reduziert und die Verlustwärme besser abgeleitet werden kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird zusätzlich durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels gelöst. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Zuführens eines jeweils bandförmigen Materials der zwei Monopolarplatten und/oder eines bandförmigen Materials der MEA, und des Faltens des bandförmigen Materials zu einem Stapel an auf dem bandförmigen Material vorgesehenen Falzknickstellen, so dass die MEA zwischen den zwei Monopolarplatten angeordnet ist und an den Falzknickstellen eine dichte Stelle gebildet wird.
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Die Falzknickstelle ist dabei eine Stelle, welche sich durch eine entsprechende Präparierung von dem übrigen bandförmigen Material unterscheidet. Durch die Präparierung wird eine definierte Stelle gebildet, an welcher das Material gegenüber dem übrigen Material bezüglich eines Knickens geschwächt ist. Dies kann beispielsweise durch eine gegenüber dem übrigen Material dünnere Wandstärke erzielt werden. Alternativ, kann das Material an dieser Stelle vorgeknickt worden sein. Die Falzknickstelle hat dabei den Vorteil, dass sich das bandförmige Material automatisch während der Herstellung an dieser Stelle faltet. Dadurch entfällt ein zusätzlicher Dichtungs- und Faltvorgang, so dass sich ein solcher Brennstoffzellenstapel einfacher herstellen lässt. Ein solches Verfahren weist zusätzlich die zuvor genannten Vorteile auf.
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Vorteilhafterweise wird jeweils eine aus zwei einzelnen Monopolarplatten gebildete Bipolarplatte, während des Faltens der bandförmigen MEA, zwischen zwei benachbarten Lagen der MEA eingebracht. Aufgrund der Faltung des MEA ist diese bei benachbarten Bipolarplatte auf entgegengesetzten Seiten geöffnet. Dadurch wird vermieden, dass sich benachbarte Bipolarplatten berühren, wodurch eine Gefahr von Kurzschlüssen ausgeschlossen wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden während des Faltens der zwei bandförmigen Monopolarplatten, zwischen diesen MEA Einzelplatten angeordnet. Dadurch kann auch MEA-Material, welches nicht mehr für eine bandförmige Fertigung ausreicht verarbeitet werden. Somit kann eine erhebliche Menge des gesamten MEA-Material verbraucht werden, so dass die Herstellungskosten weiter reduziert werden können. Zusätzlich kann eine Schweißung/Dichtung an einer Seite entfallen. Ebenso müssen lediglich 2 Monopolarplatten-Bänder beziehungsweise 1 Bipolarplatten Band, anstelle von etwa 400 Bipolarplatten oder etwa 800 Monopolarplatten, verarbeitet werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung wird beim Zuführen über Prägewalzen eine Kanalstruktur auf die Monopolarplatten aufgebracht. Dieser Schritt hat den Vorteil, dass der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich gefertigt werden kann, so dass Zeit zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels eingespart werden kann. Dadurch kann die Anzahl an gefertigten Brennstoffzellenstapeln erhöht werden, so dass die Herstellungskosten für die Brennstoffzellenstapel gesenkt werden können. Durch die Prägewalzen wird zudem eine Linienförmige Prägekraft aufgebracht, so dass gegenüber einem gewöhnlichen flächigen Prägewerkzeug eine geringere Umformkraft benötigt wird.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden beim Zuführen Stanzungen für Sammelkanäle in die Monopolarplatten eingebracht. Auch durch diesen Schritt kann eine kontinuierliche Fertigung der Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Die Stanzungen werden dabei vorzugsweise über Walzen eingebracht. Dadurch entfallen Stanzintervalle für das Auf- und Abfahren eines Stanzwerkzeuges. Die Fertigungsgeschwindigkeit wird dadurch erhöht, so dass die Anzahl an gefertigten Brennstoffzellen gesteigert wird. Besonders bevorzugt werden die Stanzungen durch die Prägewalze hinzugefügt, so dass ein separates Stanzwerkzeug entfällt.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden beim Zuführen über Prägewalzen als Falzknickstelle, Kerben ausgebildet. Als Kerbe wird dabei eine spitz zulaufende bzw. keilförmige Vertiefung in dem bandförmigen Material verstanden. Durch eine solche Kerbe, wird eine definierte Falzknickstelle gebildet. Die Kerbe hat dabei den Vorteil, dass dadurch das Knicken erleichtert wird. Darüber hinaus wird durch eine solche Kerben die Dichtwirkung zwischen den aneinander anliegenden Brennstoffzellen im Bereich der Falzknickstelle erhöht.
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Vorzugsweise wird der Brennstoffzellenstapel in eine Transportkiste gefaltet. Mit der Transportkiste wird der Brennstoffzellenstapel einer Transportkette zugeführt. Vorteilhafterweise wird die Transportkiste vor dem Transport hermetisch verschlossen. Ein direktes Verpacken nach der Herstellung hat den Vorteil, dass dadurch ein Schritt für die Beförderung zu einer Verpackungsstation entfallen kann. Zusätzlich dazu wird ein Schmutzeintrag aufgrund der direkten Verpackung vermieden. Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel somit wirtschaftlich und in hoher Qualität gefertigt werden.
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Jede Brennstoffzelle wird vorzugsweise verschweißt, so dass diese abgedichtet ist. In einer weiteren alternative kann die Brennstoffzelle auch gebördelt werden. Durch diese Verbindungstechniken kann auf eine einfache Weise eine fluiddichte und gasdichte Verbindung hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 Draufsicht auch eine bandförmige Monopolarplatte, und
- 5 Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist eine Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 6 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In der Figur ist eine obere bandförmige Monopolarplatte 10 und eine untere Monopolarplatte 14 gezeigt. Im Herstellungsprozess der Brennstoffzelle 18 werden diese bandförmigen Monopolarplatte 10, 14 von einer hier nicht gezeigten Rolle abgerollt. Zwischen den beiden bandförmigen Monopolarplatten 10, 14 ist eine bandförmige MEA 22 angeordnet.
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Nach einem Abrollen der bandförmigen Materialien 10, 14, 22 werden diese in einem Schweißbereich 26 entlang der Längsseiten miteinander verschweißt. Die Monopolarplatten 10, 14 und die MEA 22 weisen Falzknickstellen 30 auf, so dass die bandförmigen Materialien 10, 14, 22 nach einem Verlassen einer Produktionsstrasse (nicht gezeigt) automatisch entlang dieser Falzknickstellen 30 gefaltet werden. Durch das Falten wird an der Falzknickstelle 30 eine dichte Stelle gebildet, so dass für Querseiten, abgesehen von einem Anfang und einem Ende des bandförmigen Materials 10, 14, 22, keine Schweißnaht vorgesehen werden muss. Am Ende der Produktionsstrasse werden die Brennstoffzellen 18 in eine Transportkiste 34 gestapelt, so dass der fertige Brennstoffzellenstapel 6 ohne Schmutzeintrag direkt verpackt werden kann.
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2 zeigt eine Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 6 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die MEA 22 nicht als bandförmiges Material vorliegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die MEA 22 in Form von Einzelplatten vorgesehen. Dieses Einzelplatten werden dabei während des Produktionsprozesses, innerhalb eines durch die zwei Falzknickstellen 30 begrenzten Bereichs, zwischen die beiden bandförmigen Monopolarplatten 10, 14 angeordnet. Nach einem Verschweißen der bandförmigen Materialien 10, 14, wird dieses ebenso entlang der Falzknickstellen 30 gefaltet und in einer Transportkiste 34 gestapelt.
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Eine Prinzip Skizze der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 6 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 gezeigt. Im Gegensatz zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist lediglich die MEA 22 als bandförmiges Material vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel werden aus zwei Monopolarplatten eine einzelne Bipolarplatte 36 gebildet. Die einzelnen Bipolarplatten 36 werden während des Faltens wechselseitig in die gefaltete MEA Struktur eingebracht, so dass ein Brennstoffzellenstapel 6 gebildet wird.
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4 zeigt eine Draufsicht auch eine bandförmige Monopolarplatte 10, 14. Die bandförmige Monopolarplatte 10, 14 zeigt eine Aneinanderreihung von einer Vielzahl an Monopolarplatten 10, 14, welche durch die quer zur Erstreckungsrichtung der bandförmigen Monopolarplatten 10, 14 ausgebildeten Falzknickstelle 30 getrennt sind. Die Monopolarplatten 10, 14 weisen Stanzungen für Sammelkanäle 38 auf.
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In 5 ist eine Prinzip Skizze der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 6 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In dieser Figur ist eine Rolle 42 für die obere bandförmige Monopolarplatte 10 und eine Rolle 42 für die untere bandförmige Monopolarplatte 14 gezeigt. Eine Rolle für die bandförmige MEA 22 ist nicht gezeigt. Beide bandförmige Monopolarplatte 10, 14 werden in diesem Ausführungsbeispiel zwischen zwei Prägewalzen 46 geführt. Durch diese Prägewalzen 46 wird die in dem gestrichelten Kästen vergrößert dargestellte Struktur ausgebildet.
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Durch die Prägewalzen 46 wird dabei eine Kanalstruktur 50 aufgebracht, über welche die Medien in der Brennstoffzelle 18 transportiert werden. Zusätzlich zu der Kanalstruktur 50 werden noch über die Prägewalzen 46 die Falzknickstellen 30 gebildet, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Kerben ausgebildet sind. Durch diese Kerben lassen sich die Monopolarplatten 10, 14 einfacher falten. Ebenso werden über die Prägewalzen 46 die Sammelkanäle 38 gestanzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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