DE102021206577A1

DE102021206577A1 - Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten

Info

Publication number: DE102021206577A1
Application number: DE102021206577.5A
Authority: DE
Inventors: Helene Ritter; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten (10, 51) für eine 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 den Schritten: zur Verfügung stellen von Partikeln (62), Formgebung der Partikel (62) zu Rohbauteilen (65), stoffschlüssiges Verbinden der Partikel (62) in den Rohbauteilen (65) zu den Bipolarplatten (10, 51) nach der Formgebung der Partikel (62) zu den Rohbauteilen (65), wobei die Rohbauteile (65) im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten (10, 51) aufweisen und aus den im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten (10, 51) aufweisenden Rohbauteilen (65) die Bipolarplatten (10, 51) hergestellt werden mittels des stoffschlüssiges Verbindens der Partikel (62) mit dem Klebstoff.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
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, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen 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.
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.
Dabei ist es auch bekannt, die Bipolarplatten für die elektrochemischen Zellen als partikelbasierte Bipolarplatten herzustellen. Als Partikel wird expandierter Graphit verwendet. Nach dem zur Verfügung stellen der Partikel als expandierter Graphit wird eine Formgebung der Partikel mittels Komprimieren in Formen zu Teilrohbauteilen ausgeführt. Die komprimierten Partikel der Teilrohbauteile werden anschließend mit Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbunden. Anschließend, d. h. nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel zu den Teilrohbauteilen, werden je zwei Teilrohbauteile gestapelt. Erst nach dem Stapeln der zwei Teilrohbauteile an Kontaktbereichen weisen diese gestapelten zwei Teilrohbauteile im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten mit dritten Kanälen für Kühlmittel auf. Vor dem Stapeln der zwei Teilrohbauteile und nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel mit Klebstoff wird an den Kontaktbereichen der Teilrohbauteile gesondert ein Klebstoff aufgebracht, so dass die zwei Teilrohbauteile an den Kontaktbereichen mit dem Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbunden werden. In nachteiliger Weise sind damit zwei Herstellungsschritte des stoffschlüssigen Verbindens notwendig, nämlich erstens des stoffschlüssigen Verbindens der Partikel mit Klebstoff zu den Teilrohbauteilen und zweitens des gesonderten stoffschlüssigen Verbindens der zwei Teilrohbauteile an den Kontaktbereichen zu den Bipolarplatten. An den Bipolarplatten sind somit gesonderte Klebstoffschichten an Kontaktflächen zwischen den zwei fiktiven Teilrohbauteilen in Ergänzung zu dem Klebstoff zwischen den Partikeln ausgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Partikeln, Formgebung der Partikel zu Rohbauteilen, stoffschlüssiges Verbinden der Partikel in den Rohbauteilen zu den Bipolarplatten nach der Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen, wobei die Rohbauteile im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten aufweisen und aus den im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten aufweisenden Rohbauteilen die Bipolarplatten hergestellt werden mittels des stoffschlüssiges Verbindens der Partikel mit dem Klebstoff. In vorteilhafter Weise ist damit kein zweiter Herstellungsschritt zum stoffschlüssigen Verbinden von Teilrohbauteilen notwendig bei denen Partikel bereits stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten aufweisenden Rohbauteile bedeutet vorzugsweise, dass die Rohbauteile zu wenigstens 80%, 90% oder 95 die Form der Bipolarplatten aufweisen.
In einer weiteren Variante wird die Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen ausgeführt indem zunächst für je ein Rohbauteil die Formgebung der Partikel zu wenigstens zwei Teilrohbauteilen ausgeführt wird und anschließend die wenigstens zwei Teilrohbauteile zu dem Rohbauteil gestapelt werden, insbesondere die wenigstens zwei Teilrohbauteile übereinander zu dem Rohbauteil angeordnet werden. Vorzugsweise weisen die Teilrohbauteile ein Volumen von wenigstens 10%, 20%, 30% oder 40% des Volumens der Rohbauteile und/oder Bipolarplatten auf. Vorzugsweise weisen die Teilrohbauteile ein Volumen kleiner als 90%, 80%, 70% oder 60% des Volumens der Rohbauteile und/oder Bipolarplatten auf.
In einer weiteren Ausgestaltung wird an den Rohbauteilen wenigstens ein dritter Kanal für ein drittes Prozessfluid, insbesondere Kühlmittel, zwischen zwei Teilrohbauteilen ausgebildet. Der wenigstens eine dritte Kanal wird nach dem Stapeln der zwei Teilrohbauteile aufgrund der Geometrie der Teilrohbauteile ausgebildet. Wenigstens ein Teilrohbauteil weist eine entsprechende Aussparung auf und nach dem Stapeln bildet die wenigstens eine Aussparung wenigstens teilweise den wenigstens einen dritten Kanal. Vorzugsweise ist der wenigstens eine dritte Kanal im Querschnitt geschlossen.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen mittels Pressen und/oder Verdichten und/oder Prägen und/oder Komprimierung der Partikel, insbesondere in wenigstens einer Form, ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante wird während des stoffschlüssigen Verbindens der Partikel die stoffschlüssige Verbindung der wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteile ausgeführt indem die Partikel der wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteile an einem Kontaktbereich zwischen den wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteilen stoffschlüssig miteinander verbunden werden, weil die wenigstens zwei Teilrohbauteile gestapelt angeordnet sind.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird ein zur Verfügung stellen eines Klebstoffes zur stoffschlüssigen Verbindung der Partikel zu der Bipolarplatte ausführt und das stoffschlüssige Verbinden der Partikel in den Rohbauteilen zu den Bipolarplatten nach der Formgebung der Partikel ausführt wird indem ein stoffschlüssiges Verbinden der Partikel mit Klebstoff zu den Rohbauteilen ausgeführt wird.
In einer weiteren Variante werden an je einer ersten Außenseite der Rohbauteile erste Kanäle für ein erstes Prozessfluid, insbesondere Oxidationsmittel und/oder einen flüssigen Elektrolyten, und an je einer zweiten Außenseite der Rohbauteile zweite Kanäle für ein zweites Prozessfluid, insbesondere Brennstoff und/oder einen flüssigen Elektrolyten, ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform sind die ersten und zweiten Kanäle als offene Kanäle in Form von Nuten ausgebildet.
Zweckmäßig werden die Partikel aus Kohlenstoff, insbesondere expandiertem Graphit, zur Verfügung gestellt.
In einer ergänzenden Variante wird nach der Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen und vor dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel im Wesentlichen keine Formänderung zwischen den Rohbauteilen und den Bipolarplatten ausgeführt. Im Wesentlichen keine Formänderung zwischen den Rohbauteilen und den Bipolarplatten bedeutet vorzugsweise, dass die Rohbauteile zu wenigstens 80%, 90% oder 95 die Form der Bipolarplatten aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel in den Rohbauteilen mit dem Klebstoff zu den Bipolarplatten eine Aushärtung des Klebstoffes, insbesondere thermische Aushärtung des Klebstoffes mittels Erwärmen, ausgeführt.
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten von elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, wobei die Bipolarplatten als mit Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbundene Partikel ausgebildet sind, Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten zu Stapeln, so dass elektrochemische Zellen ausgebildet werden und die elektrochemischen Zellen zu einer elektrochemischen Zelleneinheit gestapelt werden, wobei die Bipolarplatten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
Zweckmäßig wird eine Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit hergestellt.
Erfindungsgemäße 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, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die Bipolarplatten als mit Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbundene Partikel ausgebildet sind, wobei die Bipolarplatten mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt sind und/oder an den Bipolarplatten keine gesonderten Klebstoffschichten zwischen zwei Teilrohbauteilen an einem Kontaktbereich der Bipolarplatten in Ergänzung zu dem Klebstoff zwischen den Partikeln ausgebildet sind.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder als Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel kein weiterer Herstellungsschritt zum stoffschlüssigen Verbinden ausgeführt.
In einer weiteren Variante sind die Bipolarplatten zu wenigstens 80 Vol.-%, 90 Vol.-%, insbesondere vollständig, als partikelbasierte Bipolarplatten ausgebildet, d. h. aus Partikeln die mit Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Unter Klebstoff werden sämtliche Stoffe verstanden zum dauerhaften stoffschlüssigen Verbinden der Partikel für die Verwendung als Bipolarplatte.
Vorzugsweise werden die Bipolarplatten zu wenigstens 80 Vol.-%, 90 Vol.-%, insbesondere vollständig, als partikelbasierte Bipolarplatten hergestellt, d. h. aus Partikeln die mit Klebstoff stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Zweckmäßig sind die ersten und zweiten Außenseiten der Rohbauteile gegenüberliegende Außenseiten der Rohbauteile.
In einer weiteren Variante ist der Durchmesser und/oder die Größe der Partikel kleiner als 5 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm oder 0,1 mm.
In einer weiteren Variante wird das stoffschlüssige Verbinden der Partikel in den Rohbauteilen mit dem Klebstoff zu den Bipolarplatte ausgeführt indem der Klebstoff mittels Sprühen und/oder Spülen und/oder Siebdruck und/oder Schablonendruck und/oder Eintauchen auf und/oder in die Rohbauteile aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen mittels Imprägnieren der Partikel und/oder Anordnen der Partikel zu der Form der Rohbauteile ausgeführt.
In einer weiteren Variante werden die Partikel aus Metall und/oder Keramik zur Verfügung gestellt.
Vorzugsweise wird das stoffschlüssige Verbinden der Partikel mit Sintern von Partikeln aus Metall und/oder Brennen von Partikeln aus Keramik ausgeführt.
In einer weiteren Variante werden die Partikel aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit und/oder expandiertem Graphit und/oder Ruß und/oder Carbon Black und/oder Mischungen hieraus, zur Verfügung gestellt.
Erfindungsgemäße Elektrolysezelleneinheit zur Erzeugung eines ersten Stoffes und eines zweiten Stoffes als Produkte aus einem Edukt als einem flüssigen Elektrolyten mittels eines Anlegens eines elektrischen Potentials zwischen einer Anode und einer Kathode, umfassend gestapelt angeordnete Elektrolysezellen, die Elektrolysezellen umfassend jeweils als Komponenten eine Anode, eine Kathode und metallische Separatorplatten mit einem ersten Anodenblech und einem zweiten Kathodenblech und zwei getrennten Kanälen für die getrennte Durchleitung des flüssigen Elektrolyten durch einen ersten Kanal und zweiten Kanal und an dem ersten Kanal die Anode und an dem zweiten Kanal die Kathode angeordnet ist, so dass an Anoden der ersten Kanäle der erste Stoff abscheidbar ist und an den Kathoden der zweiten Kanäle der zweite Stoff abscheidbar ist, so dass der erste Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein erstes Prozessfluid bildet und der zweite Stoff mit dem flüssigen Elektrolyten ein zweites Prozessfluid bildet.
Zweckmäßig sind die Separatorplatten als Bipolarplatten 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.
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 vorzugsweise 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 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 perspektivische Ansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
6 eine perspektivische Ansicht einer partikelbasierten Bipolarplatte,
7 Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung der Bipolarplatte mittels Darstellung eines Teilrohbauteiles, eines Rohbauteiles und der Bipolarplatte,
8 einen Schnitt durch eine zweiteilige sekundäre Form zur Formgebung der Teilrohbauteile, welche mit Partikeln befüllt ist,
9 ein stark vereinfachtes Ablaufdiagramm der Schritte zur Herstellung der partikelbasierten Bipolarplatten.

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. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase 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. Die Bipolarplatten 10 sind als partikelbasierte Bipolarplatten 10, 51 ausgebildet, d. h. aus Partikeln 62, die mit einem Klebstoff 63 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Kanäle 12 für Brennstoff bilden auch zweite Kanäle 60. Die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch erste Kanäle 59. Die Kanäle 14 für Kühlmittel bilden auch dritte Kanäle 61.
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 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 76 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 76 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 fest 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 (nicht dargestellt) 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 bilden zweite Kanäle 60, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden erste Kanäle 59 und die Kanäle 14 für Kühlmittel bilden dritte Kanäle 61 der Brennstoffzelle 2 als elektrochemische Zelle 52.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 52. 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 (1/2 H₂SO₄)=1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
Kathode: 4 H₃O⁺ + e^- → 2 H₂ + 2 H₂O
Anode: 6 H₂O → O₂ + 4 H₂O + 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 als zweite Kanäle 60, 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 als erste Kanäle 59 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. Ein 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 aus Metall 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.
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. Der erste und zweite Kanal 59, 60 bzw. die ersten und zweiten Kanäle 59, 60 bilden damit Kanäle 59, 60 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 als die dritten Kanäle 61 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch zweite Kanäle 60 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch erste Kanäle 59 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.
Die Bipolarplatten 10, welche auch Separatorplatten 51 bilden, für die elektrochemischen Zellen 52 als Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 sind partikelbasierte Bipolarplatten 10, d. h. Bipolarplatten 10 sind aus kleinen Partikeln 62 mit einem Durchmesser kleiner als 3 mm oder 1 mm aufgebaut und die Partikel 62 sind mit Klebstoff 63 miteinander stoffschlüssig verbunden. Für die Herstellung der Bipolarplatten 10 werden zunächst die Partikel 62 zur Verfügung gestellt 69. Die Partikel 62 aus Kohlenstoff werden als expandierter Graphit zur Verfügung gestellt 69, so dass die Partikel 62 als Graphitflocken 62 ausgebildet sind. Zur Herstellung des expandierten Graphites wird Blähgraphit erhitzt auf eine Temperatur im Allgemeinen größer als 140°C, so dass das Volumen stark ansteigt. Dabei verdampfen eingelagerte Verbindungen und die Graphitschichten werden ziehharmonikaartig auseinander bewegt. Die expandierten Flocken als der expandiere Graphit haben eine „würmchenartige“ Erscheinungsform. Darüber hinaus wird ein zur Verfügung stellen 70 von Klebstoff 63 ausgeführt.
Anschließend werden die Partikel 62 zu schichtenförmigen Matten komprimiert und gepresst in entsprechenden primären Formen (nicht dargestellt), d. h. es wird eine Formgebung 71 der Partikel 62 zu Matten (nicht dargestellt) ausgeführt. Aufgrund der Eigenschaften der Partikel 62 aus den Graphitflocken 62 wird das Volumen der zunächst lose geschütteten Partikel 62 beim Komprimieren und Pressen in der primären Form reduziert und aufgrund der Volumenreduzierung eine Wiederanordnung der Graphitschichten ausgeführt, so dass aus den Graphitflocken 62 die im Wesentlichen formstabilen Matten gebildet werden aufgrund der Verbindungen zwischen den Partikeln 62, welche von den komprimierten Graphitflocken 62 gebildet sind. Anschließend werden die Matten in sekundären Formen 68 bzw. einer zweiteiligen sekundären Form 68 (8) eingeführt und in den sekundären Formen 68 zu Teilrohbauteilen 64 umgeformt 72 als Formgebung 72 zu Teilrohbauteilen 63. Die Teilrohbauteile 64 sind formstabil aufgrund der Verbindungen zwischen den Partikeln 62. In 7 ist bei A ein Teilrohbauteil 64 dargestellt. Anschließend werden je zwei Teilrohbauteile 64 als Halbschalen gestapelt 73, d. h. übereinander angeordnet, so dass die je zwei Teilrohbauteile 64 je ein Rohbauteil 65 bilden und dieses Rohbauteil 65 ist bei B in 7 dargestellt. Je zwei Teilrohbauteile 64 liegen an Kontaktbereichen 77 aufeinander als das Rohbauteil 65. Die Rohbauteile 65 weisen bereits im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten 10 auf. Aufgrund der Geometrie der Teilrohbauteile 64 bilden sich an den Rohbauteilen 65 zwischen den zwei Teilrohbauteilen 64 die Kanäle 14 für Kühlmittel als die dritten Kanäle 61 aus. In 7 ist bei B zur einfacheren zeichnerischen Darstellbarkeit nur ein Kanal 14 dargestellt. Die Rohbauteile 65 und die Bipolarplatten 10 weisen eine erste Außenseite 66 und eine zweite Außenseite 67 auf. An der ersten Außenseite 66 sind die ersten Kanäle 59 und an der zweiten Außenseite 67 sind die zweiten Kanäle 60 ausgebildet. In 7 sind die ersten und zweiten Kanäle 59, 60 nicht dargestellt.
Nach dem Stapeln 73 der zwei Teilrohbauteile 64 zu dem Rohbauteil 65 werden die Partikel 62 mit Klebstoff 63 stoffschlüssig miteinander verbunden 74. Dieser Vorgang wird im Vakuum ausgeführt, so dass sich in die Poren zwischen den Partikeln 62 der Klebstoff 63 einlagert. Dabei befinden sich der Klebstoff in einem Prozessraum mit Vakuum und die Rohbauteile 65 werden in ein Tauchbad mit dem Klebstoff 63 eingetaucht, so dass sich der Klebstoff 63 in die Poren und Zwischenräume einlagert. Anschließend werden die Rohbauteile 65 aus dem Tauchbad im Vakuum entfernt und es wird eine Nachbehandlung 75 zur Aushärtung 75 des Klebstoffes 63 ausgeführt, im Allgemeinen eine thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur von 90°C in einem Ofen, so dass der Klebstoff 63 aushärtet. Nach dem Aushärten des Klebstoffes 63 sind somit aus den Rohbauteilen 65 die Bipolarplatten 10 gebildet.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden anstelle der Partikel 62 aus Graphit Partikel 62 aus Metall oder elektrisch leitfähigen Keramik zur Verfügung gestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschreiben. Die Teilrohbauteile 64 werden als Grünkörper aus den Partikeln 62 aus Metall oder elektrisch leitfähigen Keramik hergestellt, beispielsweise mittels Extrusion und/oder Urformen, und anschließend werden analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel die zwei Teilrohbauteile 64 zu dem Rohbauteil 65 gestapelt. Das anschließende stoffschlüssige Verbinden der Partikel 62 miteinander wird thermisch mittels Sintern der Partikel 62 aus Metall oder Brennen der Partikel 62 aus dem elektrisch leitfähigen Keramik hergestellt.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten 10, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Nach der Formgebung der Teilrohbauteile 64 werden diese vor dem stoffschlüssigen Verbinden 74 der Partikel 62 gestapelt zu dem Rohbauteil 65 bereits im Wesentlichen mit Form und Geometrie der Bipolarplatte 10. Beim anschließenden stoffschlüssigen Verbinden 74 der Partikel 62 werden nicht nur die Partikel 62 stoffschlüssig miteinander verbunden, sondern simultan mit dem identischen Klebstoff 63 auch die zwei Teilrohbauteile 64 an dem Kontaktbereich 77 zwischen zwei Teilrohbauteilen 64. In vorteilhafter Weise ist damit kein zusätzlicher Arbeitsschritt nur zum Verkleben der zwei Teilrohbauteile 64 miteinander notwendig, weil simultan mit dem stoffschlüssigen Verbinden 74 der Partikel 62 aufgrund der gestapelten zwei Teilrohbauteile 64 auch die zwei Teilrohbauteile 64 stoffschlüssig miteinander verbunden werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von partikelbasierten Bipolarplatten (10, 51) für eine 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 den Schritten: - zur Verfügung stellen von Partikeln (62), - Formgebung der Partikel (62) zu Rohbauteilen (65), - stoffschlüssiges Verbinden der Partikel (62) in den Rohbauteilen (65) zu den Bipolarplatten (10, 51) nach der Formgebung der Partikel (62) zu den Rohbauteilen (65), wobei die Rohbauteile (65) im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten (10, 51) aufweisen und aus den im Wesentlichen die Form der Bipolarplatten (10, 51) aufweisenden Rohbauteilen (65) die Bipolarplatten (10, 51) hergestellt werden mittels des stoffschlüssiges Verbindens der Partikel (62) mit dem Klebstoff.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Partikel zu den Rohbauteilen (65) ausgeführt wird indem zunächst für je ein Rohbauteil (65) die Formgebung der Partikel (62) zu wenigstens zwei Teilrohbauteilen (64) ausgeführt wird und anschließend die wenigstens zwei Teilrohbauteile (64) zu dem Rohbauteil (65) gestapelt werden, insbesondere die wenigstens zwei Teilrohbauteile (64) übereinander zu dem Rohbauteil (65) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rohbauteilen (65) wenigstens ein dritter Kanal (61) für ein drittes Prozessfluid, insbesondere Kühlmittel, zwischen zwei Teilrohbauteilen (64) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung der Partikel (62) zu den Rohbauteilen (65) mittels Pressen und/oder Verdichten und/oder Prägen und/oder Komprimierung der Partikel (62), insbesondere in wenigstens einer Form, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des stoffschlüssigen Verbindens der Partikel (62) die stoffschlüssige Verbindung der wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteile (64) ausgeführt wird indem die Partikel (62) der wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteile (64) an einem Kontaktbereich (77) zwischen den wenigstens zwei gestapelten Teilrohbauteilen (64) stoffschlüssig miteinander verbunden werden, weil die wenigstens zwei Teilrohbauteile (64) gestapelt angeordnet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Verfügung stellen eines Klebstoffes (63) zur stoffschlüssigen Verbindung der Partikel (62) zu den Bipolarplatten (10, 51) ausführt wird und das stoffschlüssige Verbinden der Partikel (62) in den Rohbauteilen (65) zu den Bipolarplatten (10, 51) nach der Formgebung der Partikel (62) zu den Rohbauteilen (65) ausführt wird indem ein stoffschlüssiges Verbinden der Partikel (62) mit Klebstoff (63) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an je einer ersten Außenseite (66) der Rohbauteile (65) erste Kanäle (59) für ein erstes Prozessfluid, insbesondere Oxidationsmittel und/oder einen flüssigen Elektrolyten, und an je einer zweiten Außenseite (67) der Rohbauteile (65) zweite Kanäle (60) für ein zweites Prozessfluid, insbesondere Brennstoff und/oder einen flüssigen Elektrolyten, ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Kanäle (59, 60) als offene Kanäle in Form von Nuten ausgebildet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (62) aus Kohlenstoff, insbesondere expandiertem Graphit, zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Formgebung der Partikel (62) zu den Rohbauteilen (65) und vor dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel (62) im Wesentlichen keine Formänderung zwischen den Rohbauteilen (65) und den Bipolarplatten (10, 51) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Partikel (62) in den Rohbauteilen (65) mit dem Klebstoff (63) zu den Bipolarplatten (10, 51) eine Aushärtung des Klebstoffes (63), insbesondere thermische Aushärtung des Klebstoffes (63) mittels Erwärmen, ausgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen 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 den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) von elektrochemischen Zellen (2, 50, 52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51), wobei die Bipolarplatten (10, 51) als mit Klebstoff (63) stoffschlüssig miteinander verbundene Partikel (62) ausgebildet sind, - Anordnen und/oder Montieren der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) zu Stapeln, so dass elektrochemische Zellen (52) ausgebildet werden und die elektrochemischen Zellen (52) zu einer elektrochemischen Zelleneinheit (53) gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10, 51) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) hergestellt wird.
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), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, wobei die Bipolarplatten (10, 51) als mit Klebstoff (63) stoffschlüssig miteinander verbundene Partikel (62) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (10, 51) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt sind und/oder an den Bipolarplatten (10, 51) keine gesonderten Klebstoffschichten zwischen zwei Teilrohbauteilen (64) an einem Kontaktbereich (77) der Bipolarplatten (10, 51) in Ergänzung zu dem Klebstoff zwischen den Partikeln (62) ausgebildet sind.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) als Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder als Elektrolysezelleneinheit (49) zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie ausgebildet ist.