DE102021208748A1

DE102021208748A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte

Info

Publication number: DE102021208748A1
Application number: DE102021208748.5A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte (62) als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte (10) und/oder Endplatte für eine 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 gestapelten elektrochemischen Zellen (52) als Zellenstack (61) mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Rohplatte (63) aus Metall, zur Verfügung eines Beschichtungsmaterials mit Partikeln und einem Bindemittel, Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63), so dass das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Rohplatte (63) mittels des Bindemittels stoffschlüssig befestigt wird und eine Deckschicht (64) aus dem Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) ausgebildet wird, wobei das Beschichtungsmaterial mit einer selbstorganisierenden Monoschicht (65) als self-assembled monolayer (65) auf der Oberfläche (72) der Rohplatte stoffschlüssig befestigt wird und/oder die Rauigkeit der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials erhöht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13 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, 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 Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstack 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.
In den elektrochemischen Zelleneinheiten sind Bipolarplatten als Kontaktplatten vorhanden. Die Bipolarplatten sind aus Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium, ausgebildet. Für die Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheiten werden die Bipolarplatten an der Oberfläche mit einer Deckschicht beschichtet, um eine Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund der Ausbildung einer Passivierung, d. h. einer Metalloxidschicht, auf der Oberfläche der Bipolarplatten zu vermeiden. Die Deckschicht umfasste dabei Partikel aus Kohlenstoff und ein Bindemittel als Klebstoff. Diese Deckschicht reduziert insbesondere den elektrischen Kontaktwiderstand zu einer angrenzenden Schicht oder Komponente in einem Zellenstack. Damit wird somit die elektrisch leitende Verbindung in dem Zellenstack, beispielsweise einem Brennstoffzellenstack, erhöht. Es treten Schwierigkeiten bei der stoffschlüssigen Verbindung der Deckschicht mit den Bipolarplatten auf. Aufgrund einer ungenügenden stoffschlüssigen Verbindung wird sowohl die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Deckschicht und der Bipolarplatte aus Metall reduziert als auch die Gefahr erhöht, dass sich während des Betriebes der elektrochemischen Zelleneinheit die Deckschicht von der Bipolarplatte aus Metall löst. Ein derartiges Ablösen der Deckschicht von der Bipolarplatte aus Metall kann zu Schwierigkeiten oder einer Störung im Betrieb der elektrochemischen Zelleneinheit führen.
Die EP 1 721 351 B1 zeigt eine Kontaktplatte für Brennstoffzellen mit einer kohärenten aktiven Fläche auf zumindest einer Seite der Kontaktplatte, wobei diese Seite für die Kontaktierung einer Diffusionsschicht, einer Brennstoffzellenelektrode oder einer Elektrolytmembran vorgesehen ist, wobei die Kontaktplatte auf der Grundlage eines Plattenkörpers aus passiviertem, korrosionsfesten Metall hergestellt ist und wobei die aktive Fläche aus einer Kontaktoberfläche, die über die gesamte Oberfläche eine Beschichtung aus einem elektrisch leitenden, korrosionsfesten Material aufweist, und aus Vertiefungen derart, dass die Vertiefungen eine Kanalstruktur bilden, besteht, wobei die Beschichtung aus Kohlenstoff und einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindungsmittel zum Aufbringen in flüssiger Form besteht, und dass die Beschichtung sich ausschließlich über die Kontaktoberfläche erstreckt und die Vertiefungen vollständig freigelassen sind.
Die DE 10 2011 008 033 A1 zeigt eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte, mit einer Reaktandengassammelleitungsöffnung, die mit einer Mehrzahl von Tunneln kommuniziert, und wobei die Tunnel mit einer Mehrzahl von Kanälen kommunizieren, die durch ein Reaktandengasströmungsfeld definiert sind, das eine Mehrzahl von Stegen aufweist, und einer superhydrophilensuperhydrophoben Beschichtung über zumindest einem Abschnitt der Bipolarplatte.
Die EP 2 234 192 B1 zeigt Verfahren zum Herstellen einer metallischen bipolaren Platte für Brennstoffzellen, umfassend: ein Vorbereiten einer Metallplatte als eine Matrix der metallischen bipolaren Platte; ein Entfetten und Abbeizen einer Oberfläche der Metallplatte zur Vorbehandlung; ein Beschichten einer Zusammensetzung auf der abgebeizten Oberfläche der Metallplatte, wobei die Zusammensetzung ein Bindeharz, Kohlenstoffpartikel und ein Lösungsmittel umfasst und ein Mischverhältnis der Kohlenstoffpartikel und des Bindeharzes 1:1 bis 6:1 in Bezug auf das Gewicht beträgt; und ein Trocknen der Oberfläche der Metallplatte, auf der die Zusammensetzung beschichtet wird, bei einer Temperatur kleiner als eine thermische Zersetzungstemperatur des Bindeharzes und größer als ein oder gleich einem Siedepunkt des Lösungsmittels, um eine Beschichtungsschicht auf der Oberfläche der Metallplatte zu bilden, wobei die Beschichtungsschicht die Kohlenstoffpartikel aufgelöst in einer Matrix des Bindeharzes aufweist, wobei die Kohlenstoffpartikel ein Gemisch des Industrierußes und des Graphits in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:3 in Bezug auf das Gewicht umfassen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte und/oder Endplatte für eine elektrochemischen 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 als Zellenstack mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Rohplatte aus Metall, zur Verfügung eines Beschichtungsmaterials mit Partikeln, insbesondere Partikeln aus Kohlenstoff, und einem Bindemittel, Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche der Rohplatte, so dass das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Rohplatte mittels des Bindemittels stoffschlüssig befestigt wird und eine Deckschicht aus dem Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Rohplatte ausgebildet wird, wobei das Beschichtungsmaterial mit einer selbstorganisierenden Monoschicht als self-assembled monolayer auf der Oberfläche der Rohplatte stoffschlüssig befestigt wird und/oder die Rauigkeit der Oberfläche der Rohplatte vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials erhöht wird. Monopolarplatten in einer elektrochemische Zelleneinheit weisen auf beiden Seiten nur einen gleichen Pol auf, sodass in einem Zellenstack eine elektrische Verbindung mit einer Stromleitung zwischen den Monopolarplatten mit einem unterschiedlichen Pol notwendig ist. Endplatten sind Monopolarplatten oder Bipolarplatten an einem Ende eines Zellenstacks.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rauigkeit mit einem Laser und/oder mechanisch, insbesondere mittels Schleifen, und/oder chemisch, insbesondere mittels Ätzen, erhöht.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird der Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht in einem Lösungsmittel gelöst und die Mischung aus dem Lösungsmittel und dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht auf die Oberfläche der Rohplatte aus Metall aufgebracht wird, so dass eine Monolage der selbstorganisierenden Monoschicht gebildet wird.
In einer zusätzlichen Variante wird nach dem Aufbringen der Mischung aus dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht und dem Lösungsmittel die Rohplatte, insbesondere die Oberfläche der Rohplatte, mit der selbstorganisierenden Monoschicht erwärmt, um die Fixierung der selbstorganisierenden Monoschicht auf der Oberfläche der Rohplatte zu verbessern, vorzugsweise wird die Rohplatte auf einen Temperatur zwischen 40°C und 300°C, insbesondere zwischen 70°C und 150°C, erwärmt und/oder das Erwärmen wird während einer Zeitdauer zwischen 1 min und 10 min ausgeführt.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche der Rohplatte nach dem Aufbringen der Mischung aus dem Lösungsmittel und dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht auf die Oberfläche der Rohplatte ausgeführt, so dass das Beschichtungsmaterial auf die selbstorganisierende Monoschicht aufgebracht wird.
Vorzugsweise wird das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche der Rohplatte nach dem Erwärmen der Oberfläche der Rohplatte mit der selbstorganisierenden Monoschicht ausgeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Moleküle der selbstorganisierenden Monoschicht je eine Ankergruppe, einen Spacer und eine funktionelle Gruppe, so dass in den Molekülen die Ankergruppen mittels der Spacer mit den funktionellen Gruppen verbunden sind.
In einer ergänzenden Variante werden die Ankergruppen mit der Oberfläche der Rohplatte stoffschlüssig verbunden indem die Ankergruppen mit dem Metall an der Oberfläche der Rohplatte und/oder einem Metalloxid an der Oberfläche der Rohplatte reagieren, insbesondere als eine chemische Reaktion. Die Rohplatte ist aus dem Metall der Kontaktplatte ausgebildet und aus diesem Metall bildet sich auf der Oberfläche ein natives Metalloxid aus dem Metall der Rohplatte bzw. der Kontaktplatte. Dabei wird vorzugsweise das Reagieren, insbesondere die chemische Reaktion, zwischen der Ankergruppe und dem gebildeten nativen Metalloxid ausgeführt. Als einfaches reagieren wird beispielsweise lediglich eine Adhäsion verstanden. Bei einer chemischen Reaktion werden zwischen chemischen Elementen neue Verbindungen hergestellt und/oder bereits vorhandene Verbindungen gelöst, wobei die Verbindungen insbesondere Atombindungen und/oder lonenbindungen sind.
Insbesondere werden die funktionellen Gruppen mit dem Beschichtungsmaterial verbunden indem die funktionellen Gruppen mit dem Bindemittel des Beschichtungsmaterials reagieren, insbesondere als eine chemische Reaktion.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spacer von organischen Verbindungen gebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfassen die Ankergruppen die chemischen Elemente N, H, O, P und/oder Si und/oder Ether und/oder wenigstens eine funktionelle Gruppe und/oder wenigstens ein Derivat und/oder wenigstens ein Teilelement von wenigstens einer Säure, insbesondere Carbonsäure und/oder Phosphorsäure. Der chemische Fachbegriff der „funktionellen Gruppe“ wenigstens einer Säure weist einen anderen Inhalt auf als die „funktionelle Gruppe“ in dem Molekül der selbstorganisierenden Monoschicht, d. h. der Begriff der „funktionellen Gruppe“ wenigstens einer Säure ist von der „funktionellen Gruppe“ in dem Molekül der selbstorganisierenden Monoschicht zu unterscheiden.
Zweckmäßig umfassen die funktionellen Gruppen die chemischen Elemente N, H und/oder Br und/oder aliphatische Kohlenwasserstoff, insbesondere Alkene, und/oder Amine und/oder Alkohole und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe.
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 Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten und/oder Endplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Kontaktplatten zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.
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, die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten und/oder Endplatten sind und die Kontaktplatten auf der Oberfläche mit einer Deckschicht aus einem Beschichtungsmaterial mit Partikeln und einem Bindemittel beschichtet sind, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder das Beschichtungsmaterial mit einer selbstorganisierenden Monoschicht als self-assembled monolayer auf der Oberfläche der Kontaktplatten stoffschlüssig befestigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Moleküle der selbstorganisierenden Monoschicht je eine Ankergruppe, einen Spacer und eine funktionelle Gruppe, so dass in den Molekülen die Ankergruppen mittels der Spacer mit den funktionellen Gruppen verbunden sind.
In einer weiteren Variante ist die Dicke der selbstorganisierenden Monoschicht zwischen 0,1 nm und 10 nm, insbesondere zwischen 0,5 nm und 5 nm.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Rauigkeit der Oberfläche der Rohplatte nur an wenigstens 5 %, 10 %, 20 %, 30 % oder 40 % der gesamten Oberfläche der Rohplatte erhöht und/oder an weniger als 95 %, 90 %, 80 %, 70 %, 50 % oder 30 % der Oberfläche der gesamten Oberfläche der Rohplatte erhöht. Vorzugsweise wird somit nur an Teilbereichen der Oberfläche der gesamten Rohplatte die Rauigkeit erhöht. Zweckmäßig wird die Rauigkeit der Oberfläche als Oberfläche mit erhöhter Rauigkeit streifenförmig oder abschnittsweise an einem streifenförmig im Bereich der Oberfläche ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante sind die Kontaktplatten aus Metall, beispielsweise Eisen, insbesondere Stahl, und/oder Aluminium und/oder Nickel und/oder Kupfer ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Rauigkeit an der Oberfläche mit der erhöhten Rauigkeit nach dem Erhöhen der Rauigkeit um das 2-, 3-, 5-, 7-oder 10-fache größer als die Rauigkeit an der Oberfläche vor dem Erhöhen der Rauigkeit.
In einer zusätzlichen Variante wird die Rauigkeit als Mittenrauwert oder als gemittelte Rautiefe (Rz, auch Zehnpunkthöhe) definiert.
In einer ergänzenden Ausgestaltung beträgt die Rauigkeit an der Oberfläche mit der erhöhten Rauigkeit wenigstens 10 µm, 20 µm, 50 µm oder 100 µm.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Rauigkeit an der Oberfläche ohne erhöhter Rauigkeit zwischen 0,01 µm und 8 µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 3 µm.
In einer weiteren Variante leiten die Partikel elektrischen Strom.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfassen die Partikel oder die Partikel bestehen aus Kohlenstoff, insbesondere als Graphit, und/oder wenigstens einem Metall und/oder wenigstens einem Seltenerdmetall und/oder wenigstens ein Metallborid, und/oder wenigstens ein Metallnitrid und/oder wenigstens ein Metallcarbid.
In einer ergänzenden Variante ist das Bindemittel ein Klebstoff.
Vorzugsweise ist das Bindemittel ein Epoxy-Klebestoff und/oder ein Acrylaten-Klebestoff und/oder das Bindemittel basiert auf thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoff, vorzugsweise Polyurethane und/oder Polyacryle und/oder Polyester.
In einer ergänzenden Variante wird das Aufbringen der Mischung aus dem Lösungsmittel und der selbstorganisierenden Monoschicht mittels Tauchen und/oder Sprühen und/oder Drucken und/oder Umhüllung mittels Dampf ausgeführt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfassen die Spacerje mehrere Kohlenstoffatomen mit wenigstens einer Kohlenstoffkette, insbesondere als lineare und/oder verzweigte Kette.
In einer weiteren Variante ist das Lösungsmittel für den Stoff und/oder die Moleküle der selbstorganisierende Monoschicht Wasser und/oder Tetrahydrofuran (THF) und/oder Dimethylformamid (DMF).
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 Zellenstapel 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, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten, und/oder Endplatten.
Zweckmäßig weisen die schichtförmigen Kontaktplatten die im Wesentlichen gleiche Breite und/oder Länge, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, auf wie wenigstens eine andere Komponente.
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 symbolische Darstellung eines Moleküls einer selbstorganisierenden Monoschicht,
8 eine symbolische Darstellung einer selbstorganisierenden Monoschicht, welche auf der Oberfläche einer Kontaktplatte stoffschlüssig befestigt ist,
9 eine symbolische Darstellung einer Deckschicht aus einem Beschichtungsmaterial mit Partikeln aus Kohlenstoff und einem Bindemittel, welche mit der selbstorganisierenden Monoschicht auf der Oberfläche der Kontaktplatte stoffschlüssig befestigt ist,
10 die chemische Strukturformel eines Moleküls in einem ersten Ausführungsbeispiel der selbstorganisierenden Monoschicht,
11 die chemische Strukturformel eines Moleküls in einem zweiten Ausführungsbeispiel der selbstorganisierenden Monoschicht,
12 die chemische Strukturformel eines Moleküls in einem dritten Ausführungsbeispiel der selbstorganisierenden Monoschicht,
13 die chemische Strukturformel eines Moleküls in einem vierten Ausführungsbeispiel der selbstorganisierenden Monoschicht,
14 die chemische Strukturformel eines Moleküls in einem fünften Ausführungsbeispiel der selbstorganisierenden Monoschicht,
15 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
16 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
17 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
18 ein viertes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
19 ein fünftes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
20 ein sechstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
21 ein siebtes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
22 ein achtes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit der Oberfläche der Kontaktplatte,
23 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit zur Fließrichtung der Prozessfluide an der Oberfläche der Kontaktplatte,
24 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit zur Fließrichtung der Prozessfluide an der Oberfläche der Kontaktplatte und
25 ein drittes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Bereiche mit erhöhter Rauigkeit zur Fließrichtung der Prozessfluide an der Oberfläche der Kontaktplatte.

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 61 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 Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nation®, 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 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 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt zu einem Brennstoffzellenstack 61 angeordnet (4 und 5). Der Brennstoffzellenstack 61 ist von einem nicht dargestellten Gehäuse und einer Anschlussplatte umschlossen. 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 Zellenstack 61 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 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 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 Zellenstacks 61 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 61 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 61 als Brennstoffzellenstack 61 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 61 als Zellenstack 61 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 (6) und Membranelektrodenanordnungen 6 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 als Elektrolysezelle 50 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 H₃O⁺ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:

Kathode: 4 H₃O⁺ + 4 e^- --» 2 H₂ + 4 H₂O
Anode: 6 H₂O --» O₂ + 4 H₃O⁺ + 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.
Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 werden die Bipolarplatten 10 als Kontaktplatten 62 benötigt. Hierfür wird zunächst ein zur Verfügung stellen einer Rohplatte 63 ausgeführt. Die Rohplatte 63 wird aus dem Metall der Bipolarplatte 10, beispielsweise Stahl oder Aluminium, mittels Urformen und Umformen hergestellt. Die Rohplatte 63 und die Kontaktplatte 62 als die Bipolarplatte 10 weist eine Oberfläche 72 auf. Die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 ist für die Herstellung der Kontaktplatte 62 als der Bipolarplatte 10 mit einer Deckschicht 64 zu beschichten. Diese Deckschicht 64 ist vor dem Aufbringen auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 als ein Slurry ausgebildet. Der Slurry als Beschichtungsmaterial umfasst dabei Partikel aus Kohlenstoff und ein Bindemittel als einen Klebstoff. Die Partikel aus Kohlenstoff leiten elektrischen Strom, d. h. sind leitfähig hinsichtlich elektrischen Stromes. Die Kontaktplatte 62 werden aus der Rohplatte 63 gebildet indem die Deckschicht 64 auf der Rohplatte 63 fixiert wird.
Vor dem Aufbringen des Slurry aus den Partikeln aus Kohlenstoff und dem Bindemittel wird eine Monolage einer selbstorganisierenden Monoschicht 65 auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 aufgebracht. Die selbstorganisierende Monoschicht 65 wird in der englischen Sprache als self-assembled monolayer 65 bezeichnet. Die selbstorganisierende Monoschicht 65 ist ein Prinzip der Nanotechnologie. Selbstorganisierende Monoschichten 65 weisen eine Dicke in Abhängigkeit von der Länge 67 des Moleküls 66 der selbstorganisierenden Monoschicht 65 zwischen 0,1 nm und einigen Nanometern (nm) auf. In 7 ist exemplarisch ein Molekül 66 dargestellt, welches eine Länge 67 aufweist zwischen 1 und 2 nm. Die Dicke der selbstorganisierenden Monoschicht 65 aus diesen Molekülen 66 auf der Oberfläche 72 der Kontaktplatte 62 bzw. der Rohplatte 63 beträgt somit im Bereich zwischen 1 und 2 nm. Die Moleküle 66 weisen eine Ankergruppe 68, einen Spacer 69 und eine funktionelle Gruppe 70 auf. Die Ankergruppe 68 dient zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Oberfläche 72 der Rohplatte 63. Die funktionelle Gruppe 70 dient zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Deckschicht 64, d. h. mit dem Bindemittel der Deckschicht 64. Der Spacer 69 dient insbesondere dazu, dass zwischen der Ankergruppe 68 und der funktionellen Gruppe 70 ein ausreichender räumlicher Abstand vorhanden und die Ankergruppe 68 mit der funktionellen Gruppe 70 verbunden ist. Die Struktur des Spacer 69 umfasst in Wesentlichen Kohlenstoffketten als organische Verbindungen mit unpolaren Atombindungen. Die Ankergruppe 68 umfasst beispielsweise die Carboxygruppe als eine funktionelle Gruppe -COOOH der Carbonsäuren. Die funktionellen Gruppen 70 umfassen Alkene oder Amine.
Für das Aufbringen der selbstorganisierenden Monoschicht 65 auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 werden die Moleküle 66 und damit der Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht 65 in einem Lösungsmittel, z.B. Wasser, THF oder DMF gelöst. Anschließend wird die Mischung aus dem Lösungsmittel und dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 aufgebracht. Dieses Aufbringen der Mischung auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 wird beispielsweise mittels Tauchen, Sprühen Bedrucken oder der Anordnung der Rohplatte 63 in einem Raum mit Dampf mit der Mischung ausgeführt. Nach diesem Aufbringen wird optional ein Waschen der Oberfläche 72 der Rohplatte 63 ausgeführt und anschließend wird die Rohplatte 63, d. h. insbesondere die Oberfläche 72 der Rohplatte 63, kurzzeitig erhitzt, beispielsweise für eine Zeitdauer von 5 Minuten auf ungefähr 100 °C. Dieses Erhitzen verbessert die Reaktion, insbesondere Kondensationsreaktion, der Ankergruppen 68 mit der Oberfläche 72 der Rohplatte 63 und vorzugsweise später der funktionellen Gruppen 70 mit der Deckschicht 64. Auf der Oberfläche 72 der Rohplatte 63 bilden sich auch native Metalloxide, sodass die Reaktion zwischen der Ankergruppe 68 und der Rohplatte 63 an der Oberfläche 72 nicht nur zwischen dem Metall und der Ankergruppe 68, sondern auch zwischen dem nativen Metalloxid und der Ankergruppe 68 ausgeführt wird. Anschließend wird die Paste oder der Slurry als Beschichtungsmaterial der Deckschicht 64 auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 aufgebracht, sodass die Deckschicht 64 mittels der selbstorganisierenden Monoschicht 65 auf der Oberfläche 72 der Rohplatte 63 stoffschlüssig befestigt ist. Die selbstorganisierende Monoschicht 65 ist damit zwischen der Deckschicht 64 und der Kontaktplatte 62 angeordnet. Während des Aushärtens des Bindemittels als des Klebstoffes in der Paste für die Deckschicht 64 wird die Reaktion zwischen dem Bindemittel und den funktionellen Gruppen 70 ausgeführt für die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Molekülen 66 und der Deckschicht 64. Es werden kovalente Bindungen als Atombindungen zwischen den Ankergruppen 68 und dem Metall und/oder Metalloxid an der Oberfläche 72 der Rohplatte 63 bzw. Kontaktplatte 62 ausgebildet als auch zwischen den funktionellen Gruppen 70 und dem Bindemittel der Deckschicht 64 bzw. dem Bindemittel des Slurrys der Deckschicht 64. Dadurch kann eine sehr sichere und zuverlässige stoffschlüssige Fixierung und Befestigung der Deckschicht 64 auf der Oberfläche 72 der Kontaktplatte 62 erreicht werden.
In den 10 bis 14 sind Ausführungsbeispiele für die Moleküle 66 der selbstorganisierenden Monoschicht 65 dargestellt:

10 zeigt 11-AMINOUNDECYLTRIMETHOXYSILAN mit CAS-Nr . 40762-31-0
11 zeigt Trimethoxy(7-octen-1-yl)silan mit CAS-Nr. 52217-57-9.
12 zeigt 12-Aminolauric Acid mit CAS-Nr. 693-57-2.
13 zeigt 3-Glycidoxypropyldimethoxymethylsilane mit CAS-Nr. 65799-47-5.
14 zeigt Aminomethanphosphonsäure mit CAS-Nr. 1066-51-9.

Optional kann für die Herstellung der Bipolarplatte 10 vor dem Aufbringen der Paste und/oder Slurry aus dem Bindemittel und den Partikeln als dem Beschichtungsmaterial auf die Oberfläche 72 der Rohplatte 63 die Rauigkeit an der Oberfläche 72 erhöht werden. Das Erhöhen der Rauigkeit wird beispielsweise mit einem Laser 75, mechanisch beispielsweise mittels Schleifen oder chemisch, insbesondere mittels Ätzen, ausgeführt. Zum Erhöhen der Rauigkeit mittels des Lasers 75 wird ein Laserstrahl über Bereiche der Oberfläche 72 geführt, sodass dadurch aufgrund der physikalischen Wirkung des Laserstrahls, insbesondere des lokalen Erwärmens, an einer Oberfläche 73 eine erhöhte Rauigkeit auftritt. Bereiche der Oberfläche 72 ohne dem Erhöhen der Rauigkeit sind eine Oberfläche 74 ohne erhöhte Rauigkeit. Die Rauigkeit als die gemittelte Rautiefe R_z beträgt an der Oberfläche 73 mit der erhöhten Rauigkeit beispielsweise zwischen 10 und 100 µm und an der Oberfläche 74 ohne erhöhter Rauigkeit zwischen 0,1 und 2 µm.
Die Bipolarplatten 10 weisen die Kanäle 12, 13 und 14 auf und die Kanäle 12, 13, 14 sind zwischen Stegen 71 ausgebildet. In den 15 bis 22 sind verschiedene Varianten für die Anordnung der Oberflächen 73, 74 auf der Oberfläche 72 der Kontaktplatte 62 dargestellt und die Bipolarplatten 10 als Kontaktplatten 62 sind in den 15 bis 22 stark vereinfacht und schematisiert dargestellt. In 15 ist die Rauigkeit nur an der Oberseite der Stege 71 erhöht. In 16 ist die Oberfläche nur an Streifenbereichen der Oberseite der Stege 71 erhöht. In 17 sind die Oberflächen 73 mit der erhöhten Rauigkeit nur im Wesentlichen bereichsweise auf der Oberseite der Stege 71 ausgebildet. In 18 sind die Oberflächen 73 an einzelnen Abschnitten der Oberseite der Stege 71 ausgebildet. In 19 sind die Oberseiten der Stege 71 und die Unterseiten der Kanäle 12, 13 und 14 mit der Oberfläche 73 ausgebildet. In 20 ist eine gesamte Seite mit der Oberfläche 73 mit der erhöhten Rauigkeit ausgebildet. In 21 sind nur die seitlichen Flanken der Stege 71 mit der Oberfläche 73 mit der erhöhten Rauigkeit ausgebildet. In 22 sind die seitlichen Flanken der Stege 71 und die Unterseiten der Kanäle 12, 13 und 14 mit der Oberfläche 73 mit erhöhter Rauigkeit ausgebildet.
Die Oberflächen 73 mit der erhöhten Rauigkeit können streifenförmig auf einer Seite der Bipolarplatte 10 ausgebildet sein. In den 23 bis 25 sind verschiedene Varianten für die Ausrichtung dieser streifenförmigen Oberflächen 73 zur Strömungsrichtung der Prozessfluide dargestellt. In 23 sind die streifenförmigen Oberflächen 73 im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Prozessfluide angeordnet. In 24 sind die streifenförmigen Oberflächen 73 im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Prozessfluide ausgerichtet. In 25 sind die streifenförmigen Oberflächen 73 im Wesentlichen in einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung der Prozessfluide ausgerichtet.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Kontaktplatte 62, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Die Deckschicht 64 wird mit der selbstorganisierenden Monoschicht 65 auf der Oberfläche 72 der Kontaktplatte 62 stoffschlüssig fixiert. Dabei sind die funktionellen Gruppen 70 besonders sicher mit dem Bindemittel der Deckschicht 64 verbunden wie auch die Ankergruppen 68 mit den Kontaktplatten 62. Die Deckschicht 64 ist damit sehr sicher und zuverlässig bei einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Deckschicht 64 und der Kontaktplatte 62 mit der Kontaktplatte 62 verbunden. Schäden in elektrochemischen Zelleneinheiten 53 aufgrund eines Ablösens der Deckschicht 64 können dadurch im Wesentlichen vermieden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011008033 A1 [0006]
EP 2234192 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte (62) als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte (10) und/oder Endplatte 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 gestapelten elektrochemischen Zellen (52) als Zellenstack (61) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen einer Rohplatte (63) aus Metall, - zur Verfügung stellen eines Beschichtungsmaterials mit Partikeln und einem Bindemittel, - Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63), so dass das Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche der Rohplatte (63) mittels des Bindemittels stoffschlüssig befestigt wird und eine Deckschicht (64) aus dem Beschichtungsmaterial auf der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial mit einer selbstorganisierenden Monoschicht (65) als self-assembled monolayer (65) auf der Oberfläche (72) der Rohplatte stoffschlüssig befestigt wird und/oder die Rauigkeit der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) vor dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauigkeit mit einem Laser (75) und/oder mechanisch, insbesondere mittels Schleifen, und/oder chemisch, insbesondere mittels Ätzen, erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht (65) in einem Lösungsmittel gelöst wird und die Mischung aus dem Lösungsmittel und dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht (65) auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63) aus Metall aufgebracht wird, so dass eine Monolage der selbstorganisierenden Monoschicht (65) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Mischung aus dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht (65) und dem Lösungsmittel die Rohplatte (63), insbesondere die Oberfläche (72) der Rohplatte (63), mit der selbstorganisierenden Monoschicht (65) erwärmt wird, um die Fixierung der selbstorganisierenden Monoschicht (65) auf der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63) nach dem Aufbringen der Mischung aus dem Lösungsmittel und dem Stoff der selbstorganisierenden Monoschicht (65) auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63) ausgeführt wird, so dass das Beschichtungsmaterial auf die selbstorganisierende Monoschicht (65) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche (72) der Rohplatte (63) nach dem Erwärmen der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) mit der selbstorganisierenden Monoschicht (65) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle (66) der selbstorganisierenden Monoschicht (65) je eine Ankergruppe (68), einen Spacer (69) und eine funktionelle Gruppe (70) umfassen, so dass in den Molekülen (66) die Ankergruppen (68) mittels der Spacer (69) mit den funktionellen Gruppen (70) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankergruppen (68) mit der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) stoffschlüssig verbunden werden indem die Ankergruppen (68) mit dem Metall an der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) und/oder einem Metalloxid an der Oberfläche (72) der Rohplatte (63) reagieren, insbesondere als eine chemische Reaktion.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen (70) mit dem Beschichtungsmaterial verbunden werden indem die funktionellen Gruppen (70) mit dem Bindemittel des Beschichtungsmaterials reagieren, insbesondere als eine chemische Reaktion.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacer (69) von organischen Verbindungen gebildet sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankergruppen (68) die chemischen Elemente N, H, O, P und/oder Si und/oder Ether und/oder wenigstens eine funktionelle Gruppe und/oder wenigstens ein Derivat und/oder wenigstens ein Teilelement von wenigstens einer Säure, insbesondere Carbonsäure und/oder Phosphorsäure, umfassen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen (70) die chemischen Elemente N, H und/oder Br und/oder aliphatische Kohlenwasserstoff, insbesondere Alkene, und/oder Amine und/oder Alkohole und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen.
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, 51, 62) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Kontaktplatten (62) als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten (10) und/oder Endplatten, - Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatten (62) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
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), umfassend - gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62) umfassen, - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62) der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen (6), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Kontaktplatten (62) als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten (10) und/oder Endplatten sind und die Kontaktplatten (62) auf der Oberfläche (72) mit einer Deckschicht (64) aus einem Beschichtungsmaterial mit Partikeln und einem Bindemittel beschichtet sind, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß Anspruch 13 hergestellt ist und/oder das Beschichtungsmaterial mit einer selbstorganisierenden Monoschicht (65) als self-assembled monolayer (65) auf der Oberfläche (72) der Kontaktplatten (62) stoffschlüssig befestigt ist.
Elektrochemische Zelleneinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle (66) der selbstorganisierenden Monoschicht (65) je eine Ankergruppe (68), einen Spacer (69) und eine funktionelle Gruppe (70) umfassen, so dass in den Molekülen (66) die Ankergruppen (68) mittels der Spacer (69) mit den funktionellen Gruppen (70) verbunden sind.