DE102022118783A1

DE102022118783A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen

Info

Publication number: DE102022118783A1
Application number: DE102022118783.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Beck; Markus Gretzer; Rene Scheimer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2024-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membran-Elektrodenanordnung (2) und einer Bipolarplatte (3) als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte:a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Komponenten für den zu bildenden Stapel,b) Auftragen eines Fluides (5) auf mindestens eine Kontaktfläche (4) von zwei benachbart anzuordnenden Komponenten, wobei das Fluid (5) der Kontaktfläche (4) anhaftet und die zwischen den Komponenten wirkende Adhäsionskraft erhöht,c) Stapeln der in Schritt bearbeiteten Komponenten,d) Wiederholen der Schritte b) und c) bis die gewünschte Stapelhöhe erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membran-Elektrodenanordnung und einer Bipolarplatte als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Komponenten für den zu bildenden Stapel,
b) Auftragen eines Fluides auf mindestens eine Kontaktfläche von zwei benachbart anzuordnenden Komponenten, wobei das Fluid der Kontaktfläche anhaftet und die zwischen den Komponenten wirkende Adhäsionskraft erhöht,
c) Stapeln der in Schritt bearbeiteten Komponenten,
d) Wiederholen der Schritte b) und c), bis die gewünschte Stapelhöhe erreicht ist.

Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Stapel zusammengefasst werden können. Bei Elektrolyseur-Zellen erfolgt eine Nutzung elektrischer Energie zur Elektrolyse, wobei zur Erhöhung der Leistung gleichfalls ein Stapel gebildet werden kann. Eine Membrankomponente, insbesondere eine Membran-Elektrodenanordnung als eine der Komponenten des Stapels umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Des Weiteren sind in einem Stapel als weitere Komponente beidseits jeder Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels.
Bei der Bildung des Stapels, also bei dessen Herstellung, sind Lagegenauigkeit und Geschwindigkeit wichtig für die Qualität und die Kosten, wobei hohe Lagegenauigkeit und hohe Geschwindigkeit einen Zielkonflikt bilden und in der Regel ein Ziel nur auf Kosten des komplementären Ziels verbessert werden kann.
Elektrochemische Zellen werden häufig unter Nutzung von Greifern in „Pick-and-Place“-Verfahren zu Stapeln zusammengeführt, wobei die Komponenten mittels statischer Referenzpunkte, zum Beispiel in Form eines Werkstückträgers, positioniert werden. Die DE 10 2014 015 219 A1 offenbart Ausrichtungsbestandteile, die innerhalb gemeinsamer Bezugsöffnungen angeordnet sind und mit den Bipolarplatten in einer Ebene liegen. Eine Verbesserung der Lagegenauigkeit lässt sich auch erreichen, indem die Komponenten Membran-Elektrodenanordnung und Bipolarplatte zum Beispiel mittels eines Lasers zu einer Einheitszellen verbunden werden, die dann für die Bildung des Stapels weiter gestapelt werden. In der EP 2 856 545 B1 wird eine Klebstoffspur genutzt, die auch eine Dichtungsfunktion hat. Die „Pick-and-Place“-Verfahren sowie das mechanische Verbinden sind kostenintensiv und erreichen nicht die erforderliche Geschwindigkeit für eine Großserienfertigung, wobei auch die Lagegenauigkeit unzureichend ist.
Zur Verbesserung der Lagegenauigkeit wird in der US 2011/0281195 A1 vorgeschlagen, bei der Stapelbildung zwischen zwei Komponenten ein Polyolefin aufzutragen, dessen Bindungsstärke kleiner ist als die Bindungsstärke der Komponenten, und nach dem Stapeln eine Kompressionskraft auszuüben, so dass durch das Polyolefin die Komponenten verbunden sind. Das Polyolefin wirkt dabei also als Gleitmittel, das eine Ausrichtung sowie eine gegebenenfalls erforderliche Separierung erleichtert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Investitionskosten und Fertigungskosten für die Herstellung eines Stapels gesenkt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass zusätzliche Prozessschritte einer mechanischen Verbindung entfallen und beispielsweise ein Laserschweißen entbehrlich ist, so dass die Investitionskosten sinken; das Aufstapeln kann im kontinuierlichen Betrieb erfolgen, bei dem eine nachfolgende Lagekorrektur bei Bewahrung der Grundbindung möglich ist, insbesondere kann nach dem Schritt c) eine laterale Ausrichtung der in dem Stapel geschichteten Komponenten erfolgen bei Bewahrung der durch die Adhäsionskraft bewirkten Grundbindung.
Bevorzugt ist auch, wenn das Fluid der Kontaktfläche reversibel anhaftet, also für die Vorfixierung genutzt werden kann und nachfolgend wieder entfernt wird.
Vorteilhaft ist es, wenn das Fluid durch eine Flüssigkeit gebildet ist und insbesondere die Flüssigkeit durch deionisiertes Wasser gebildet ist. Das Fluid hat damit zum einen keine negativen Auswirkungen auf den späteren Betrieb und muss insbesondere nicht wieder entfernt werden, so dass dieser Schritt eingespart wird. Zum anderen liegen sogar positive Auswirkungen vor, da eine Vorkonditionierung durch Vorbefeuchtung der Zellen erreicht wird und durch die Benetzung und den Feuchteintrag Nachfolgeprozesse optimiert werden.
Es ist möglich, dass im Schritt b) auf beide Kontaktflächen das Fluid aufgetragen wird und auch, dass das Fluid auf mehr als zwei Komponenten aufgetragen und diese mit den zugeordneten benachbarten Komponenten im Schritt c) gemeinsam gestapelt werden. Dadurch wird die Stapelbildung als kontinuierlicher Prozess beschleunigt.
Vorteilhaft ist die Nutzung eines Fluid auch, indem das Fluid mittels einer Strömung zur Extraktion von Partikeln genutzt wird, also ein Mehrfachnutzen durch die Bereitstellung des Fluids gegeben ist.
Da das Fluid nicht durch einen Klebstoff gebildet ist, der nach dem Auftragen und der Verwendung aushärtet, ist es ermöglicht, dass bei Auftreten oder der Detektion eines Fehlers in dem Stapel dieser zumindest partiell wieder demontiert wird.
Auch besteht die Möglichkeit, dass durch eine Anpassung der Temperatur die Größe der Adhäsionskraft eingestellt wird.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Auftragens eines Fluids auf die Kontaktfläche der aufeinander zu stapelnden Komponenten eines Stapels.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachstehend beispielhaft auf Brennstoffzellen 1 und einen daraus gebildeten Brennstoffzellenstapel verwiesen, wobei dies sinngemäß aber auch für andere elektrochemische Zellen und deren Zusammenfassung zu einem Stapel für eine Leistungssteigerung gilt. Beispielhaft für eine andere elektrochemische Zelle kann auf einen Elektrolyseur verwiesen werden.
Ein Stapel aus Brennstoffzellen 1 besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter und zwischen zwei Endplatten angeordneter Brennstoffzellen 1, wobei jede der Brennstoffzellen 1 eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran aufweist. Die Membran ist aus einem lonomer gebildet. Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 1 dienen. Anode und Kathode sowie die Membran bilden eine Membran-Elektrodenanordnung 2, von denen in 1 zwei gezeigt in separater Anordnung vor der Stapelbildung gezeigt sind.
Über Polarplatten, die im Inneren des Stapels auch als Bipolarplatten 3 ausgeführt sein können und von denen in 1 auch zwei in separater Anordnung gezeigt sind, wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, wobei Gasdiffusionslagen für eine Gleichverteilung der Reaktanten genutzt werden können. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Eine der Membran-Elektrodenanordnung 2 und eine der Bipolarplatten 3 bilden also gemeinsam eine Brennstoffzelle 1. Mehrere dieser Brennstoffzellen 1 werden in serieller Anordnung zu einem Stapel zusammengefasst. In der 1 ist ein Teil eines Verfahrens für die Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen gezeigt, die jeweils aus mindestens einer Membran-Elektrodenanordnung 2 und einer Bipolarplatte 3 als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, das die Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Komponenten für den zu bildenden Stapel,
b) Auftragen eines Fluides 5 auf mindestens eine Kontaktfläche 4 von zwei benachbart anzuordnenden Komponenten, wobei das Fluid 5 der Kontaktfläche 4 anhaftet und die zwischen den Komponenten wirkende Adhäsionskraft erhöht,
c) Stapeln der in Schritt bearbeiteten Komponenten,
d) Wiederholen der Schritte b) und c), bis die gewünschte Stapelhöhe erreicht ist.

Die 1 zeigt dabei die Schritte a) und b), wobei das Auftragen des Fluids 5 auf eine Kontaktfläche 4 einer Bipolarplatte 3 und auf eine Kontaktfläche einer Membran-Elektrodenanordnung 2 gezeigt ist, und zwar durch Nutzung von einer Sprüheinrichtung 6. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden Sprühpistolen 7 genutzt. Das Fluid 5 wird in dem Ausführungsbeispiel also auf mehr als zwei Komponenten aufgetragen und diese werden mit den zugeordneten benachbarten Komponenten im Schritt c) gemeinsam gestapelt. Möglich ist es auch, dass im Schritt b) auf beide Kontaktflächen 4 das Fluid 5 aufgetragen wird.
Da keine vollständige Verklebung angestrebt wird, sondern nur eine Steigerung der Adhäsionskraft, kann nach dem Schritt c) eine laterale Ausrichtung der in dem Stapel geschichteten Komponenten erfolgen bei Bewahrung der durch die Adhäsionskraft bewirkten Grundbindung. Auch ist es möglich, dass bei Auftreten oder der Detektion eines Fehlers in dem Stapel dieser zumindest partiell wieder demontiert wird.
Vorgesehen ist im Rahmen des Verfahrens weiterhin, dass das Fluid 5 der Kontaktfläche 4 reversibel anhaftet, also auch insoweit eine Klebewirkung vermieden ist.
Vorzugsweise ist das Fluid 5 durch eine Flüssigkeit gebildet, insbesondere ist die Flüssigkeit durch deionisiertes Wasser gebildet, da dies für Folgeprozesse vorteilhaft ist und eine Vorkonditionierung durch einen Feuchteintrag bewirkt.
Auch kann das Fluid 5 mittels einer Strömung zur Extraktion von Partikeln genutzt werden.
Durch eine Anpassung der Temperatur kann die Größe der Adhäsionskraft eingestellt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE:

1: Brennstoffzelle
2: Membran-Elektrodenanordnung
3: Bipolarplatte
4: Kontaktfläche
5: Fluid
6: Sprüheinrichtung
7: Sprühpistole

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014015219 A1 [0004]
EP 2856545 B1 [0004]
US 20110281195 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stapels aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die jeweils aus mindestens einer Membran-Elektrodenanordnung (2) und einer Bipolarplatte (3) als den konstituierenden Komponenten gebildet sind, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Komponenten für den zu bildenden Stapel, b) Auftragen eines Fluides (5) auf mindestens eine Kontaktfläche (4) von zwei benachbart anzuordnenden Komponenten, wobei das Fluid (5) der Kontaktfläche (4) anhaftet und die zwischen den Komponenten wirkende Adhäsionskraft erhöht, c) Stapeln der in Schritt bearbeiteten Komponenten, d) Wiederholen der Schritte b) und c), bis die gewünschte Stapelhöhe erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt c) eine laterale Ausrichtung der in dem Stapel geschichteten Komponenten erfolgt bei Bewahrung der durch die Adhäsionskraft bewirkten Grundbindung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) der Kontaktfläche (4) reversibel anhaftet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) durch eine Flüssigkeit gebildet ist.
Verfahren nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch deionisiertes Wasser gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) auf beide Kontaktflächen (4) das Fluid aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) auf mehr als zwei Komponenten aufgetragen und diese mit den zugeordneten benachbarten Komponenten im Schritt c) gemeinsam gestapelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) mittels einer Strömung zur Extraktion von Partikeln genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten oder der Detektion eines Fehlers in dem Stapel dieser zumindest partiell wieder demontiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Anpassung der Temperatur die Größe der Adhäsionskraft eingestellt wird.