DE102022200621A1 - Process for manufacturing a contact plate - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte (63) als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte (10) 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 Kontaktplatte (63), zur Verfügung stellen der Ausgangsstoffe Kohlenstoffpartikel und Bindemittel (66) für einen Slurry, Herstellen eines Slurry indem die Ausgangsstoffe miteinander vermischt werden, wenigstens teilweises Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit dem Slurry, so dass die Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit einer Rohbeschichtung (64) aus dem Slurry beschichtet ist, Trocknen der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit der aufgebrachten Rohbeschichtung (64) aus dem Slurry, so dass die Rohbeschichtung (64) in eine Beschichtung (65) umgewandelt wird und die Kontaktplatte (63) mit der Beschichtung (65) hergestellt wird, wobei als Bindemittel (66) zur Herstellung des Slurry wenigstens ein Cellulosederivat (66) eingesetzt wird.Method for producing a contact plate (63) as a monopolar plate and/or bipolar plate (10) for an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49) with stacked electrochemical cells (52) as a cell stack (61) with the steps: providing a contact plate (63), providing the starting materials carbon particles and binders (6 6) for a slurry, producing a slurry by mixing the starting materials with one another, at least partially coating the surface of the contact plate (63) with the slurry, so that the surface of the contact plate (63) is coated with a raw coating (64) from the slurry, drying the surface of the contact plate (63) with the applied raw coating (64) from the slurry, so that the raw coating (64) is converted into a coating (65) and the contact plate (6 3) is produced with the coating (65), at least one cellulose derivative (66) being used as the binder (66) for producing the slurry.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.The present invention relates to a method for producing a contact plate for an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1, a method for producing an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 14 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.

Stand der TechnikState of the art

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.Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a multiplicity of fuel cells are arranged in a fuel cell stack as a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through. The oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer. A gas space for fuel is present in an analogous manner.

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.Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells.

Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleneinheiten sind aus einer großen Anzahl von gestapelten Komponenten ausgebildet. In einer Brennstoffzelle sind als die schichtförmigen Komponenten beispielsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten angeordnet. Protonenaustauschermembranen, Anoden und Kathoden bilden Membranelektrodenanordnungen. Die Membranelektrodenanordnungen sind zwischen 2 Subgasket stoffschlüssig befestigt. An den Bipolarplatten der Brennstoffzelleneinheiten sind Kanäle für Brennstoff und Kanäle für Oxidationsmittel ausgebildet. Diese Kanäle sind an Kanalstrukturen an zwei gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatten ausgebildet. Auf diesen Kanalstrukturen liegen die Gasdiffusionsschichten auf. Für eine große elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit ist ein geringer elektrischer Kontaktwiderstand zwischen den Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten notwendig. Aus diesem Grund ist es bereits bekannt, auf die Bipolarplatten eine Beschichtung mit Kohlenstoffpartikeln aufzubringen. Diese Beschichtung reduziert den elektrischen Kontaktwiderstand und erhöht damit in vorteilhafter Weise die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten. Die Kohlenstoffpartikel werden dabei mit einem Bindemittel versetzt und als Slurry bei der Herstellung der Bipolarplatten auf diese aufgebracht. Anschließend erhärtet und trocknet das Bindemittel. Chemische Bindemittel als Klebstoffe haben den Nachteil, dass diese toxisch sind und dadurch giftige Gase sowohl bei der Herstellung der Bipolarplatten entstehen als auch später beim Betrieb der Brennstoffzelleneinheit. In nachteiliger Weise ist außerdem bei der Entsorgung der Brennstoffzelleneinheit aufgrund der eingesetzten giftigen Klebstoffe eine aufwändige Entsorgung der Bipolarplatten mit den giftigen Klebstoffen notwendig.Fuel cell units and electrolytic cell units are formed from a large number of stacked components. In a fuel cell, for example, proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates are arranged as the layered components. Proton exchange membranes, anodes and cathodes form membrane electrode assemblies. The membrane electrode arrangements are firmly bonded between 2 subgaskets. Channels for fuel and channels for oxidant are formed on the bipolar plates of the fuel cell units. These channels are formed on channel structures on two opposite sides of the bipolar plates. The gas diffusion layers lie on these channel structures. A low electrical contact resistance between the gas diffusion layers and the bipolar plates is necessary for a high electrical output of the fuel cell unit. For this reason it is already known to apply a coating with carbon particles to the bipolar plates. This coating reduces the electrical contact resistance and thus advantageously increases the electrical conductivity between the gas diffusion layers and the bipolar plates. The carbon particles are mixed with a binder and applied to the bipolar plates as a slurry during production of the latter. The binder then hardens and dries. Chemical binders used as adhesives have the disadvantage that they are toxic, which means that toxic gases are produced both during production of the bipolar plates and later during operation of the fuel cell unit. Disposal of the fuel cell unit also has the disadvantage that, due to the toxic adhesives used, complex disposal of the bipolar plates with the toxic adhesives is necessary.

Die EP 2 234 192 B1 zeigt eine metallische Separatorplatte für eine Brennstoffzelle mit einer Beschichtung mit Kohlenstoffpartikeln und einem Bindemittel.The EP 2 234 192 B1 shows a metallic separator plate for a fuel cell with a coating of carbon particles and a binder.

Die CN 111509251 A zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten aus Graphit.The CN 111509251A shows a process for the production of bipolar plates made of graphite.

Die DE 10 2017 204 183 A1 zeigt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode, wobei die mindestens eine Verteilstruktur ein Trägermaterial und eine Beschichtung umfasst und die Beschichtung elektrisch leitfähig und porös ist, wobei das Trägermaterial als Folie ausgeführt ist.The DE 10 2017 204 183 A1 shows a bipolar plate for a fuel cell, comprising at least one distribution structure for distributing a fuel or an oxidizing agent to an electrode, wherein the at least one distribution structure comprises a carrier material and a coating and the coating is electrically conductive and porous, the carrier material being designed as a film.

Die EP 1 213 272 B1 zeigt einen imprägnierten Körper aus expandiertem Graphit oder aus mindestens teilweise wieder verdichtetem expandiertem Graphit. Die Poren sind erhalten durch lösungsmittelfreies niedrigviskoses lagerstabiles Harzsystem aus der Gruppe der Isocyanate und/oder Epoxidharze oder durch Härten solcher Harzsysteme.The EP 1 213 272 B1 shows an impregnated body of expanded graphite or at least partially recompacted expanded graphite. The pores are obtained by means of a solvent-free, low-viscosity, storage-stable resin system from the group of isocyanates and/or epoxy resins or by curing such resin systems.

Die EP 3 381 075 B1 zeigt ein Verfahren zur Abscheidung einer metallhaftenden, hydrophoben und elektrisch leitfähigen Beschichtung auf der Basis von elektrisch leitfähigen Mikropartikel und einer Matrix eines Polymers.The EP 3 381 075 B1 shows a method for depositing a metal-adhesive, hydrophobic and electrically conductive coating on the Basis of electrically conductive microparticles and a matrix of a polymer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte, insbesondere als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte und/oder Endplatte, 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 gestapelten elektrochemischen Zellen als Zellenstack mit den Schritten: zur Verfügung stellen einer Kontaktplatte, zur Verfügung stellen der Ausgangsstoffe Kohlenstoffpartikel und Bindemittel für einen Slurry, Herstellen eines Slurry indem die Ausgangsstoffe miteinander vermischt werden, wenigstens teilweises Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte mit dem Slurry, so dass die Oberfläche der Kontaktplatte mit einer Rohbeschichtung aus dem Slurry beschichtet ist, Trocknen der Oberfläche der Kontaktplatte mit der aufgebrachten Rohbeschichtung aus dem Slurry, so dass die Rohbeschichtung in eine Beschichtung umgewandelt wird und die Kontaktplatte mit der Beschichtung hergestellt wird, wobei als Bindemittel zur Herstellung des Slurry wenigstens ein Cellulosederivat eingesetzt wird. Cellulosederivate sind nicht toxische Bindemittel, sodass dadurch in vorteilhafter Weise während der Herstellung der Bipolarplatten und während des Betriebes der Brennstoffzelleneinheit oder Elektrolysezelleneinheit keine giftigen Stoffe oder Abgase entweichen.Method according to the invention for producing a contact plate, in particular as a monopolar plate and/or bipolar plate and/or end plate, for an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells as a cell stack with the steps: providing a contact plate, providing the starting materials carbon particles and binders for a slurry, producing a slurry by mixing the starting materials together, at least partially coating the surface of the contact plate with the slurry, so that the surface of the contact plate with is coated with a raw coating from the slurry, drying the surface of the contact plate with the applied raw coating from the slurry, so that the raw coating is converted into a coating and the contact plate is produced with the coating, at least one cellulose derivative being used as a binder for producing the slurry becomes. Cellulose derivatives are non-toxic binders, so that advantageously no toxic substances or exhaust gases escape during the production of the bipolar plates and during the operation of the fuel cell unit or electrolytic cell unit.

In einer ergänzenden Variante wird als Bindemittel zur Herstellung des Slurry Cellulosecarbonat und/oder Celluloseester eingesetzt.In a supplementary variant, cellulose carbonate and/or cellulose ester is used as the binder for producing the slurry.

In einer weiteren Ausgestaltung wird als Ausgangsstoff zur Herstellung des Slurry ein Lösungsmittel, insbesondere Wasser, zur Verfügung gestellt und das Herstellen des Slurry wird mit dem Lösungsmittel ausgeführt.In a further embodiment, a solvent, in particular water, is provided as the starting material for producing the slurry, and the slurry is produced using the solvent.

In einer zusätzlichen Ausführungsform wird als Ausgangsstoff zur Herstellung des Slurry ein Verbindungsstoff zur Verbindung von Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats miteinander zur Verfügung gestellt und das Herstellen des Slurry wird mit dem Verbindungsstoff ausgeführt.In an additional embodiment, a connecting substance for connecting carbon chains of the at least one cellulose derivative to one another is provided as the starting material for producing the slurry, and the slurry is produced with the connecting substance.

Vorzugsweise werden die Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats mit dem Verbindungsstoff, insbesondere mit Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes, miteinander verbunden, so dass die Wasserlöslichkeit der Beschichtung der Kontaktplatte reduziert wird und/oder im Wesentlichen wasserunlöslich wird. Aufgrund des Verbindens der Kohlenstoffketten des Cellulosederivats mittels der Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes miteinander entstehen vernetzte organische Verbindungstrukturen, die im Wesentlichen wasserunlöslich sind. Dadurch kann die Beschichtung auf der Kontaktplatte auch bei einem langjährigen Betrieb der elektrochemischen Zelleneinheit nicht von Wasser oder Feuchtigkeit aufgelöst werden. Die Beschichtung auf der Kontaktplatte zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktplatten und den Gasdiffusionsschichten ist somit für die gesamte Lebensdauer der elektrochemischen Zelleneinheit ausgelegt. Vorzugsweise ist die quantitative Wasserlöslichkeit der Beschichtung nach dem Verbinden der Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats miteinander mittels der Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes und/oder nach dem Erwärmen und anschließenden Abkühlen der Kontaktplatte bei einer Temperatur von 40° C, 60°C oder 80°C kleiner als 30 g/l, 10 g/l, 5 g/l, 1 g/l, 0,5 g/l oder 0,1 g/l, d. h. im Wesentlichen wasserunlöslich, wobei diese Massekonzentration in g die Masse der Beschichtung angibt und in I das Volumen des Wassers als Lösungsmittel. Die Wasserlöslichkeit der Beschichtung kann experimentell beispielsweise ermittelt werden indem von der abschließend hergestellten Kontaktplatte die Beschichtung mechanisch, vorzugsweise mit Schaben, entfernt wird und anschließend die Wasserlöslichkeit der abgeschabten Beschichtung in Wasser als Lösungsmittel bei einer Temperatur von 40° C, 60°C oder 80°C ermittelt wird.The carbon chains of the at least one cellulose derivative are preferably connected to one another with the connecting substance, in particular with carbon chains of the connecting substance, so that the water solubility of the coating of the contact plate is reduced and/or becomes essentially water-insoluble. Due to the linking of the carbon chains of the cellulose derivative with each other via the carbon chains of the connecting substance, crosslinked organic compound structures are formed which are essentially water-insoluble. As a result, the coating on the contact plate cannot be dissolved by water or moisture, even after the electrochemical cell unit has been in operation for many years. The coating on the contact plate to reduce the electrical contact resistance between the contact plates and the gas diffusion layers is thus designed for the entire service life of the electrochemical cell unit. Preferably, the quantitative water solubility of the coating after the carbon chains of the at least one cellulose derivative have been connected to one another by means of the carbon chains of the connecting substance and/or after the heating and subsequent cooling of the contact plate at a temperature of 40° C., 60° C. or 80° C. is less than 30 g/l, 10 g/l, 5 g/l, 1 g/l, 0.5 g/l or 0.1 g/l, d. H. essentially water-insoluble, this mass concentration in g indicating the mass of the coating and in l the volume of water as solvent. The water solubility of the coating can be determined experimentally, for example by mechanically removing the coating from the finally produced contact plate, preferably with scrapers, and then measuring the water solubility of the scraped-off coating in water as the solvent at a temperature of 40° C., 60° C. or 80° C is determined.

In einer ergänzenden Variante werden die Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats miteinander verbunden nach dem wenigstens teilweisen Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte mit der Rohbeschichtung aus dem Slurry auf der Oberfläche der Kontaktplatte.In a supplementary variant, the carbon chains of the at least one cellulose derivative are linked to one another after the surface of the contact plate has been at least partially coated with the raw coating from the slurry on the surface of the contact plate.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Kontaktplatte nach dem wenigstens teilweisen Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte mit der Rohbeschichtung aus dem Slurry erwärmt auf Temperaturen zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C. Die Kontaktplatte wird hierzu in einem Ofen angeordnet und erwärmt. Die Temperaturen sind notwendig, damit die chemischen Verbindungen zwischen den Kohlenstoffketten des Cellulosederivats mittels der Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes ausgebildet werden können. Die Temperatur der Kontaktplatte wird nach dem Erwärmen auf die Temperatur zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C während einer Zeitdauer von 1 min bis 120 min, insbesondere 5 min bis 20 min, auf dieser Temperatur gehalten, insbesondere indem während der Zeitdauer die Kontaktplatte im Ofen verbleibt. Anschließend kühlt die Kontaktplatte auf Umgebungstemperatur ab, insbesondere indem die Kontaktplatte aus dem Ofen entfernt wird.In a further embodiment, the contact plate is heated to temperatures between 40°C and 900°C, in particular between 60°C and 400°C, after the surface of the contact plate has been at least partially coated with the raw coating from the slurry. For this purpose, the contact plate is placed in an oven and heated. The temperatures are necessary so that the chemical bonds between the carbon chains of the cellulose derivative can be formed by means of the carbon chains of the connecting substance. After heating to the temperature between 40° C. and 900° C., in particular between 60° C. and 400° C., the temperature of the contact plate is kept at this temperature for a period of 1 min to 120 min, in particular 5 min to 20 min , in particular by the contact plate remaining in the oven during the period. Then the contact plate cools down room temperature, especially by removing the contact plate from the oven.

Zweckmäßig wird das Verbinden der Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats miteinander ausgeführt während des Erwärmens der Kontaktplatte und/oder während des erwärmten Zustandes der Kontaktplatte mit der Temperatur zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C.The bonding of the carbon chains of the at least one cellulose derivative to one another is expediently carried out during the heating of the contact plate and/or during the heated state of the contact plate at a temperature between 40°C and 900°C, in particular between 60°C and 400°C.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Verbindungsstoff wenigstens ein Bisphenol, insbesondere Bisphenol A-diglycidyl-ether. Als Bisphenole kommen beispielsweise Bisphenol AF, Bisphenol AP, Bisphenol B, Bisphenol C und/oder Bisphenol F in Betracht.In an additional embodiment, the connecting substance is at least one bisphenol, in particular bisphenol A diglycidyl ether. Examples of suitable bisphenols are bisphenol AF, bisphenol AP, bisphenol B, bisphenol C and/or bisphenol F.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats an den Enden ein erstes Sauerstoffatom und/oder ein zweites Sauerststoffatom und/oder eine Hydroxygruppe und/oder eine Verbindung aus einem Sauerstoffatom und einen Natriumatom auf.In a further embodiment, the carbon chains of the at least one cellulose derivative have a first oxygen atom and/or a second oxygen atom and/or a hydroxyl group and/or a compound of an oxygen atom and a sodium atom at the ends.

In einer ergänzenden Variante wird das Verbinden der Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats miteinander ausgeführt indem je eine Kohlenstoffkette des Verbindungsstoffes mit zwei chemischen Verbindungen mit zwei Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats verbunden wird. Vorzugsweise sind und/oder werden in 1 g Beschichtung wenigstens 10, 100, 1000 oder 10000 chemische Verbindungen zwischen Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes und Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats ausgebildet.In a supplementary variant, the carbon chains of the at least one cellulose derivative are connected to one another by connecting one carbon chain of the connecting substance with two chemical compounds to two carbon chains of the at least one cellulose derivative. Preferably, at least 10, 100, 1000 or 10000 chemical bonds between carbon chains of the connecting substance and carbon chains of the at least one cellulose derivative are and/or are formed in 1 g of coating.

In einer zusätzlichen Variante werden die zwei chemischen Verbindungen zwischen einem Endbereich der Kohlenstoffkette des wenigstens einen Cellulosederivats mit der Hydroxygruppe und einem Endbereich der Kohlenstoffkette des Verbindungsstoffes mit dem Sauerstoffatom ausgebildet. Vorzugsweise umfasst ein Endbereich der Kohlenstoffkette des wenigstens einen Cellulosederivats und/oder ein Endbereich der Kohlenstoffkette des Verbindungsstoffes zwischen 1 und 10, insbesondere zwischen 1 und 5, Kohlenstoffatome und optional andere Atome an der Kohlenstoffkette mit der genannten Anzahl an Kohlenstoffatomen, soweit andere Atome hier vorhanden sind. Die langketten Kohlenstoffketten des wenigstens einen Cellulosederivats weisen aufgrund der Kettenstruktur zwei Endbereichen an den zwei Enden der Hauptkette auf und weisen zusätzlich weitere Endbereiche auf zwischen den zwei Enden als Abzweigungen von der Hauptkette gebildet von kleineren zusätzlichen Kettenstrukturen, so dass je eine langkettige Kohlenstoffkette des wenigstens einen Cellulosederivats mit mehreren Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes, beispielsweise 10, 100 oder 1000, verbunden wird und/oder verbunden ist.In an additional variant, the two chemical bonds are formed between an end area of the carbon chain of the at least one cellulose derivative with the hydroxyl group and an end area of the carbon chain of the connecting substance with the oxygen atom. Preferably, an end portion of the carbon chain of the at least one cellulose derivative and/or an end portion of the carbon chain of the connecting substance comprises between 1 and 10, in particular between 1 and 5, carbon atoms and optionally other atoms on the carbon chain with the number of carbon atoms mentioned, insofar as other atoms are present here are. Due to the chain structure, the long-chain carbon chains of the at least one cellulose derivative have two end regions at the two ends of the main chain and additionally have further end regions between the two ends as branches from the main chain formed by smaller additional chain structures, so that one long-chain carbon chain of the at least one Cellulose derivative is and/or is connected to several carbon chains of the connecting substance, for example 10, 100 or 1000.

Insbesondere wird die Kontaktplatte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl, zur Verfügung gestellt.In particular, the contact plate is made available at least partially, in particular completely, from metal, in particular stainless steel.

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 gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Zellenstack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei das zur Verfügung stellen der Kontaktplatten ausgeführt wird indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird.Method according to the invention for producing an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit with stacked electrochemical cells, with the steps: providing layered components of the electrochemical cells, namely preferably proton exchange membranes, Anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and contact plates as monopolar plates and/or bipolar plates, stacking of the layered components to form electrochemical cells and a cell stack of the electrochemical cell unit, the contact plates being made available by a method described in this property right application being carried out.

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 Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten sind, Kanäle zum Durchleiten von Prozessfluiden, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder auf der Oberfläche der Kontaktplatten eine Beschichtung ausgebildet ist und in der Beschichtung Kohlenstoffketten wenigstens eines Cellulosederivats mit einem Verbindungsstoff mit Kohlenstoffketten, insbesondere wenigstens einem Bisphenol, miteinander verbunden sind, so dass die Beschichtung im Wesentlichen wasserunlöslich ist.Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked, the components of the electrochemical cells preferably proton exchange membranes, anodes , Cathodes, preferably gas diffusion layers and contact plates as monopolar plates and/or bipolar plates are channels for the passage of process fluids, wherein the electrochemical cell unit is produced using a method described in this patent application and/or a coating is formed on the surface of the contact plates and in the coating Carbon chains of at least one cellulose derivative are connected to one another with a connecting substance with carbon chains, in particular at least one bisphenol, so that the coating is essentially water-insoluble.

In einer zusätzlichen Ausführungsform wird als Bindemittel zur Herstellung des Slurry Cellulosecarbonat und/oder Celluloseester und/oder Methylcellulse und/oder Cellulosenitrat und/oder Celluloseacetat eingesetzt.In an additional embodiment, cellulose carbonate and/or cellulose ester and/or methyl cellulose and/or cellulose nitrate and/or cellulose acetate are used as binders for producing the slurry.

In einer zusätzlichen Ausführungsform werden als Bindemittel zur Herstellung des Slurry Stoffe eingesetzt, die mit einer Veresterung (Celluloseester) und/oder Methylierung (Methylcellulose) und/oder Ethylierung und/oder Hydroxypropylierung und/oder Sulfonierung und/oder Nitrierung (Cellulosenitrat) und/oder Acetylierung (Celluloseacetat) und/oder Oxidation und/oder Xanthogenierung und/oder Quervernetzung und/oder Copolymerisation als Cellulosederivate aus Cellulose hergestellt worden sind.In an additional embodiment, substances are used as binders for producing the slurry used with an esterification (cellulose ester) and / or methylation (methyl cellulose) and / or ethylation and / or hydroxypropylation and / or sulfonation and / or nitration (cellulose nitrate) and / or acetylation (cellulose acetate) and / or oxidation and / or xanthogenation and/or cross-linking and/or copolymerization as cellulose derivatives from cellulose.

In einer weiteren Variante weist der Slurry zwischen 50 Masse-% und 99 Masse- %, insbesondere zwischen 60 Masse-% und 90 Masse-%, Kohlenstoffpartikel auf.In a further variant, the slurry has between 50% by mass and 99% by mass, in particular between 60% by mass and 90% by mass, of carbon particles.

Zweckmäßig weist der Slurry zwischen 0,5 Masse-% und 20 Masse-%, insbesondere zwischen 2 Masse-% und 10 Masse-%, Cellulosederivat auf.The slurry expediently contains between 0.5% by mass and 20% by mass, in particular between 2% by mass and 10% by mass, of cellulose derivative.

Zweckmäßig weist der Slurry zwischen 0,5 Masse-% und 20 Masse-%, insbesondere zwischen 2 Masse-% und 10 Masse-%, Verbindungsstoff auf.The slurry expediently has between 0.5% by mass and 20% by mass, in particular between 2% by mass and 10% by mass, of connecting substance.

Vorzugsweise weist der Slurry zwischen 0,5 Masse-% und 20 Masse-%, insbesondere zwischen 2 Masse-% und 10 Masse-%, Lösungsmittel auf.The slurry preferably contains between 0.5% by mass and 20% by mass, in particular between 2% by mass and 10% by mass, of solvent.

Insbesondere wird die Kontaktplatte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus leitfähigem Kunststoff und/oder Kompositwerkstoff und/oder Graphit zur Verfügung gestellt.In particular, the contact plate is made available at least partially, in particular completely, from conductive plastic and/or composite material and/or graphite.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktplatte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl, und Beschichtung ausgebildet.In a further embodiment, the contact plate is made at least partially, in particular completely, from metal, in particular high-grade steel, and a coating.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktplatte wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus leitfähigem Kunststoff und/oder Kompositwerkstoff und/oder Graphit und Beschichtung ausgebildet.In a further embodiment, the contact plate is made at least partially, in particular completely, from conductive plastic and/or composite material and/or graphite and a coating.

In einer weiteren Ausführungsform wird während des Erwärmens der Kontaktplatte und/oder während des erwärmten Zustandes der Kontaktplatte mit der Temperatur zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C, simultan das Trocknen und/oder Erhärten der Oberfläche der Kontaktplatte und/oder das Trocknen und/oder Erhärten der Rohbeschichtung auf der Oberfläche der Kontaktplatte ausgeführt, so dass die Rohbeschichtung in die Beschichtung umgewandelt wird.In a further embodiment, the surface is simultaneously dried and/or hardened while the contact plate is being heated and/or while the contact plate is in the heated state at a temperature between 40° C. and 900° C., in particular between 60° C. and 400° C of the contact plate and/or the drying and/or curing of the green coat is carried out on the surface of the contact plate so that the green coat is converted into the coating.

Vorzugsweise umfasst das Bindemittel wenigstens 50 Masse-%, 70 Masse-%, 80 Masse-%, 95 Masse-% oder 98 Masse-% Cellulosederivat.Preferably, the binder comprises at least 50%, 70%, 80%, 95% or 98% by weight of cellulose derivative by weight.

In einer ergänzenden Ausführungsform wird das wenigstens teilweise Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte mit dem Slurry mittels Sprühen und/oder Chatten und/oder Dispensen und/oder Rollen und/oder Drucken, insbesondere Siebdrucken, und/oder Stempeln und/oder Tauchen ausgeführt.In a supplementary embodiment, the surface of the contact plate is at least partially coated with the slurry by spraying and/or chatting and/or dispensing and/or rolling and/or printing, in particular screen printing, and/or stamping and/or dipping.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird das Aufbringen des Slurry auf die Kontaktplatte mit einer Prozesseinheit ausgeführt. Die Prozesseinheit ist beispielsweise ein Sprühkopf und/oder eine Rolle.In an additional embodiment, the slurry is applied to the contact plate with a process unit. The process unit is, for example, a spray head and/or a roller.

In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die Prozesseinheit zum Aufbringen des Slurry von einem Roboter im Raum bewegt. Das Aufbringen des Slurry wird somit mittels des Bewegens der Prozesseinheit im Raum ausgeführt. Beispielsweise wird somit die Prozesseinheit über denjenigen Bereichen über einer Kontaktplatte bewegt und/oder gerollt und/oder aufgelegt, auf welche der Slurry aufzubringen ist und/oder aufgebracht wird. Durch eine Veränderung der Steuerdaten zur Bewegung der Prozesseinheit mit dem Roboter kann auch die Position der Beschichtung aus dem Slurry auf der Kontaktplatte verändert werden.In a supplementary embodiment, the process unit for applying the slurry is moved in space by a robot. The application of the slurry is thus carried out by moving the process unit in space. For example, the process unit is thus moved and/or rolled and/or placed over those areas over a contact plate to which the slurry is to be and/or is being applied. By changing the control data for moving the process unit with the robot, the position of the coating from the slurry on the contact plate can also be changed.

In einer weiteren Variante ist die Kontaktplatte eine Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte und/oder Endplatte für eine elektrochemische Zelleneinheit.In a further variant, the contact plate is a monopolar plate and/or bipolar plate and/or end plate for an electrochemical cell unit.

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.The invention also includes a computer program with program code means, which are stored on a computer-readable data carrier, in order to carry out a method described in this property right application, when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.

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.The invention also includes a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this property right application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.

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 an additional variant, the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.

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.In a further variant, the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate. The cell stack is enclosed by the housing and/or the connection plate.

Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, vorzugsweise Membranelektrodenanordnungen, Subgaskets, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Kontaktplatten als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten, und/oder Endplatten.Components for electrochemical cells, in particular fuel cells and/or electrolytic cells, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, preferably membrane electrode arrangements, subgaskets, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and contact plates as monopolar plates and/or bipolar plates, in particular separator plates, and/or end plates are expedient.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet. In a further variant, the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.The fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.In a supplementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC-Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells, or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells, or an alkaline fuel cell (AFC).

Figurenlistecharacter list

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 stark schematisierte perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
  • 7 eine Draufsicht der Bipolarplatte mit konstruktiven Details,
  • 8 eine Darstellung einer Kohlenstoffkette eines Cellulosederivats als Bindemittel,
  • 9 eine Darstellung einer Kohlenstoffkette von Bisphenol A-diglycidyl-ether als Verbindungsstoff,
  • 10 eine Darstellung einer Kohlenstoffkette des Cellulosederivats und des Bisphenol A-diglycidyl-ether mit einer chemischen Verbindung dazwischen,
  • 11 eine stark schematisierte Darstellung von zwei langkettigen Kohlenstoffketten des Bindemittels, die mit Kohlenstoffketten des Verbindungsstoffes miteinander verbunden sind.
Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the attached drawings. It shows:
  • 1 a highly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
  • 2 a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell,
  • 3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cells and electrolytic cells,
  • 4 a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
  • 5 a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack,
  • 6 a highly schematic perspective view of a bipolar plate,
  • 7 a top view of the bipolar plate with constructive details,
  • 8th a representation of a carbon chain of a cellulose derivative as a binder,
  • 9 a representation of a carbon chain of bisphenol A diglycidyl ether as a connecting substance,
  • 10 a representation of a carbon chain of the cellulose derivative and the bisphenol A diglycidyl ether with a chemical bond in between,
  • 11 a highly schematic representation of two long-chain carbon chains of the binder, which are connected to each other with carbon chains of the connecting substance.

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.In the 1 until 3 the basic structure of a fuel cell 2 is shown as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3). The principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction. Hydrogen H 2 is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, ie the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. A reduction (acceptance of electrons) takes place at the cathode 8 . The oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

  • Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O
  • Anode: 2 H2 → 4 H+ + 4e-
  • Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 → 2 H2O
The redox equations of the electrochemical processes are:
  • Cathode: O 2 + 4 H + + 4 e - → 2 H 2 O
  • Anode: 2H 2 → 4H + + 4e -
  • Summation reaction equation of cathode and anode: 2H2 + O2 → 2H2O

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.The difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. Voltages in excess of 1.0 V can be reached in the quiescent state and with small currents, and with larger ones during operation currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached. The series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 61 of several stacked fuel cells 2, has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.

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.The fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 . The anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs. The PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases. The PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, 12 μm to 150 μm thick, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are used. The PEM 5 conducts the H + protons and essentially blocks ions other than H + protons, so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the H + protons. The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O 2 and hydrogen H 2 , ie blocks the flow of oxygen O 2 and hydrogen H 2 between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H 2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O 2 as the oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.

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.The electrodes 7 , 8 as the anode 7 and cathode 8 lie on the two sides of the PEM 5 , each facing towards the gas chambers 31 , 32 . A unit made up of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles bonded to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and embedded in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed. A catalyst layer 30 (not shown) is normally applied to each of the electrodes 7, 8 on the side facing the gas chambers 31, 32. The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum. For example, Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binders.

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 6 (catalyst coated membran).Deviating from this, the electrodes 7, 8 are constructed from an ionomer, for example Nation®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and also function as a catalyst layer 30 due to the platinum-containing carbon particles. Membrane electrode assemblies 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode assemblies 6 as CCM 6 (catalyst coated membrane).

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.On the anode 7 and the cathode 8 there is a gas diffusion layer 9 (gas diffusion layer, GDL). The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from fuel channels 12 evenly onto the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant channels 13 evenly onto the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also withdraws reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, i. H. in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current. The GDL 9 is constructed, for example, from hydrophobic carbon paper as the carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as the microporous layer.

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.A bipolar plate 10 rests on the GDL 9 . The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and/or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8. In order to dissipate the waste heat, channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for conducting a liquid or gaseous coolant as the process fluid. The channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 . The channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 . Metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .

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. In a fuel cell unit 1, several fuel cells 2 are stacked in alignment to form a fuel cell stack 61 ( 4 and 5 ). The fuel cell stack 61 is enclosed by a housing (not shown) and a connection plate. In 1 is an exploded view of two aligned stacked fuel cells 2 shown. Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner away. In a compressed gas storage 21 ( 1 ) hydrogen H 2 is stored as a fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar. The fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 . At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel ( 1 ) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which form the channel structure 29 for fuel.

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.As a result, the fuel flows through the gas space 31 for the fuel. The gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 . After flowing through the channels 12 , the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .

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, 63 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.A gas conveying device 22, embodied for example as a fan 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent. The air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 . After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26. A supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 . The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are in 1 shown as separate lines for reasons of simplification. At the end area in the vicinity of the channels 12, 13, 14 are in the stack as a cell stack 61 of the fuel cell unit 1 aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension at the end area 40 of the bipolar plates 10 ( 6 ) and membrane electrode assemblies 6 (not shown) are formed. The fuel cells 2 and the components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51, 63 of the fuel cells 2 are disk-shaped and span imaginary planes 59 aligned essentially parallel to one another. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 59 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply duct 42, an oxidant discharge duct 43, a fuel supply duct 44, a fuel discharge duct 45, a Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside of the cell stack 61 of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the cell stack 61 of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 within the stack of the fuel cell unit 1. The fuel cell stack 1 together with the compressed gas reservoir 21 and the gas delivery device 22 forms a fuel cell system 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 the fuel cell unit 1 the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34 . A first clamping plate 35 lies on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 . The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in 4 and 5 are shown. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, ie the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 with a compressive force and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a compressive force. The fuel cell stack 61 is thus braced as a fuel cell stack 61 in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 61 as a cell stack 61 as small as possible. To brace the fuel cells 2 with the tensioning elements 33, four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 38 are connected to the chipboards 34 .

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.In 6 the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown. The bipolar plate 10 includes the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29. The channels 12, 13 and 14 are in 6 not shown separately but only in simplified form as a layer of a channel structure 29. The fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 ( 6 ) And membrane electrode assemblies 6 are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that Supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 form. Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.

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.Since the bipolar plate 10 also separates the gas chamber 31 for fuel from the gas chamber 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the term separator plate 51 for the fluid-tight separation or separation of process fluids can also be selected for the bipolar plate 10 . The term separator plate 51 is thus also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa. The channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidizing agent and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52 as an electrolytic cell 50, but with a different function.

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.The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. A number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c(H 2 SO 4 ) = 1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H 3 O + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.

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
The following redox reactions take place during electrolysis:
  • Cathode: 4H3O + + 4e - → 2H2 + 4H2O
  • Anode: 6 H 2 O → O 2 + 4 H 3 O + + 4 e -
  • Summation reaction equation of cathode and anode: 2H2O → 2H2 + 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.The polarity of the electrodes 7, 8 with electrolysis when operating as an electrolytic cell unit 49 is reversed (not shown) as when operating as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is conducted, at the cathodes Hydrogen H 2 is formed as a second substance and the hydrogen H 2 is taken up by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. Analogously, the liquid electrolyte is conducted through the channels 13 for oxidizing agent and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or at channels 13 for oxidizing agent. The fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 act as electrolytic cells 50 during operation as an electrolytic cell unit 49. The fuel cells 2 and electrolytic cells 50 thus form electrochemical cells 52. The oxygen O 2 formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form. The liquid electrolyte is stored in a storage tank 54 . In 1 For reasons of simplification in the drawing, two storage tanks 54 of the fuel cell system 4 are shown, which also functions as an electrolytic cell system 48 . The 3-way valve 55 on the fuel supply line 16 is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte is introduced into the fuel supply line 16 from the storage tank 54 with a pump 56 and not fuel from the compressed gas storage tank 21 . A 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated. The fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains completely or the gas diffusion layer 9 is not formed or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10. The electrolytic cell unit 49 with the storage tank 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms a electrochemical cell system 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.A separator 57 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel. The separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas reservoir 21 with a compressor (not shown). The electrolyte discharged from the hydrogen separator 57 is then returned to the electrolyte storage tank 54 through a pipe. A separator 58 for oxygen is arranged on the discharge line 26 for fuel. The separator 58 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen, and the separated oxygen is introduced with a compressor (not shown) into a compressed gas reservoir for oxygen (not shown). The oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen, not shown, can optionally be used to operate the fuel cell 1 can be used by using a line (not shown) to slide the oxygen into the feed line 25 for oxidizing agent when operating as a fuel cell unit 1. The electrolyte discharged from the separator 58 for oxygen is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte using a line. The channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolytic cell unit 49 and the pump 56 has been switched off, the liquid electrolyte runs back completely into the storage container 54 due to gravity. Optionally, after use as an electrolytic cell unit 49 and before use as a fuel cell unit 1, an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent. The fuel cells 2 and the electrolytic cells 2 thus form electrochemical cells 52. The fuel cell unit 1 and the electrolytic cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53. The channels 12 for fuel and the channels for oxidizing agent thus form channels 12, 13 for the passage of the liquid electrolyte during operation as an electrolytic cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26. An electrolytic cell unit 49 does not normally require any channels 14 for the passage of coolant for process-related reasons. In an electrochemical cell unit 49, the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolyte and the channels 13 for oxidant also form channels 13 for passing fuel and/or electrolyte.

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, gelöste Gase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.In a further exemplary embodiment, which is not illustrated, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 . Potassium hydroxide solution is used as a mobile electrolyte. The fuel cells 2 are stacked. A monopolar cell structure or a bipolar cell structure can be formed. The potassium hydroxide solution circulates between an anode and cathode and carries away reaction water, heat and impurities (carbonates, dissolved gases). The fuel cell unit 1 can also be used as a reversible fuel cell unit 1, i. H. as an electrolytic cell unit 49.

Kontaktplatten 63 können als Monopolarplatten, Bipolarplatten 10 oder Endplatten an den Enden des Zellenstacks 61 ausgebildet sein. Monopolarplatten weisen nur einen einheitlichen Pol auf beiden Seiten auf, sodass in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Monopolarplatten die Monopolarplatten mit einer elektrischen Stromleitung mit anderen Monopolarplatten zu verbinden sind. Endplatten sind an einem Ende des Zellen Stacks 61 angeordnet.Contact plates 63 can be in the form of monopolar plates, bipolar plates 10 or end plates at the ends of the cell stack 61 . Monopolar plates have only one uniform pole on both sides, so that in a fuel cell unit 1 with monopolar plates, the monopolar plates are to be connected to other monopolar plates with an electrical power line. End plates are arranged at one end of the cell stack 61 .

In 6 ist die Kontaktplatte 63 als Bipolarplatte 10 stark schematisierte und vereinfacht in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In 7 ist die Bipolarplatte 10 als konstruktive Darstellung mit Details abgebildet. An der Abdichtplatte 39 als dem Endbereich 40 der Bipolarplatte 10 sind die Fluidöffnungen 41 zur Zuführung und Abführung der Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel ausgebildet. Zwischen den beiden Endbereichen 40 als Abdichtplatten 39, welche einteilig mit der übrigen Bipolarplatte 10 ausgebildet sind, ist ein aktiver Bereich 62 vorhanden. An dem aktiven Bereich 62 sind die Kanalstrukturen 29 mit den Kanälen 12 für Brennstoff und den Kanälen 13 für Oxidationsmittel ausgebildet. Auf diesen beiden Kanalstrukturen 29, welcher gegenüberliegend auf der Außenseite der Bipolarplatte 10 ausgebildet sind, liegt die Gasdiffusionsschicht 9 auf. In dem Brennstoffzellenstack 61 finden somit die elektrochemischen Reaktionen an bzw. zwischen den aktiven Bereichen 62 der Bipolarplatte 10 statt. Die Bipolarplatte 10 ist aus 2 Platten aus Edelstahl ausgebildet. Die 2 Platten sind in den Figuren nicht gesondert dargestellt und zwischen den 2 Platten sind die Kanäle 14 für Kühlmittel ausgebildet. Zur Abdichtung der Kanäle 14 für Kühlmittel nach außen ist an einem äußeren Randbereich eine vollständig umlaufende Schweißnaht (nicht dargestellt) zur Abdichtung des Strömungsraum für das Kühlmittel zwischen den 2 Platten ausgebildet. Ferner ist an der Bipolarplatte 10 eine vollständig am äußeren Randbereich umlaufende Sicke (nicht dargestellt) ausgebildet. Zusätzlich sind umlaufend an den Fluidöffnungen 41 Sicken jeweils für eine Fluidöffnung 41 ausgebildet.In 6 the contact plate 63 is shown as a highly schematic and simplified bipolar plate 10 in a perspective view. In 7 the bipolar plate 10 is shown as a structural representation with details. The fluid openings 41 for supplying and discharging the process fluids fuel, oxidizing agent and coolant are formed on the sealing plate 39 as the end region 40 of the bipolar plate 10 . An active area 62 is present between the two end areas 40 as sealing plates 39 which are formed in one piece with the rest of the bipolar plate 10 . The channel structures 29 with the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent are formed on the active region 62 . The gas diffusion layer 9 rests on these two channel structures 29, which are formed opposite one another on the outside of the bipolar plate 10. The electrochemical reactions at or between the active regions 62 of the bipolar plate 10 thus take place in the fuel cell stack 61 . The bipolar plate 10 is formed from 2 stainless steel plates. The 2 plates are not shown separately in the figures and the channels 14 for coolant are formed between the 2 plates. To seal the channels 14 for coolant to the outside, a completely circumferential weld seam (not shown) is formed on an outer edge area to seal the flow space for the coolant between the 2 plates. Furthermore, a bead (not shown) that runs completely around the outer edge area is formed on the bipolar plate 10 . In addition, beads for one fluid opening 41 are formed circumferentially on the fluid openings 41 .

Für die Herstellung der Bipolarplatte 10 als der Kontaktplatte 63 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der Kontaktplatte 63. Dies wird dadurch ausgeführt, dass die 2 Platten mit der umlaufenden Schweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Ferner werden in die beiden Platten vor der Ausbildung der Schweißnaht entsprechende Sicken eingearbeitet mittels Umformen, sodass diese Sicken an je einer Platte fluchten und dadurch eine Sicke zwischen den beiden Platten je einer Bipolarplatte 10 als der Kontaktplatte 63 ausbilden. Anschließend wird ein Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte 63 mit einem Slurry als einer Paste ausgeführt. Das Beschichten mit dem Slurry wird insbesondere an den beiden gegenüberliegenden aktiven Bereichen 62 der Kontaktplatte 63 mit den Kanälen 12 für Brennstoff und den Kanälen 13 für Oxidationsmittel ausgeführt. Das Beschichten wird beispielsweise mittels Eintauchen bzw. Tauchen, Drucken, Rollen und/oder Sprühen ausgeführt.For the production of the bipolar plate 10 as the contact plate 63, the contact plate 63 is first made available. This is carried out in that the 2 plates are connected to one another with a material bond with the circumferential weld seam. Corresponding beads are also worked into the two plates before the weld seam is formed by forming, so that these beads are aligned on one plate each and thereby form a bead between the two plates, each with a bipolar plate 10 as the contact plate 63 . Subsequently, coating of the surface of the contact plate 63 with a slurry as a paste is performed. The coating with the slurry is carried out in particular on the two opposing active areas 62 of the contact plate 63 with the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent. The coating is carried out, for example, by means of dipping, printing, rolling and/or spraying.

Als Ausgangsstoff für die Herstellung des Slurry werden Kohlenstoffpartikel, ein Bindemittel 66, ein Lösungsmittel, nämlich Wasser, und ein Verbindungsstoff 68 verwendet. Als Bindemittel 66 wird Cellulosederivat, nämlich Cellulosecarbonat, eingesetzt. Als Verbindungsstoff 68 wird Bisphenol A-diglycidyl-ether verwendet. Das Bindemittel 66 und der Verbindungsstoff 68 sind somit organische Verbindungen mit Kohlenstoffketten 67, 69, d. h. der Kohlenstoffkette 67 von Cellulosecarbonat (8) und die Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 als Bisphenol A-diglycidyl-ether (9). Die Kohlenstoffkette 67 des Cellulosederivats ist wesentlich länger als in 8 dargestellt, d. h. in 8 ist nur ein Teil der Kette 67 des Cellulosederivats dargestellt. Die Kohlenstoffkette 67 des Cellulosederivats weist eine Hydroxygruppe 71 auf (8). Die Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 weist an einem Endbereich ein Sauerstoffatom 72 auf.Carbon particles, a binder 66, a solvent, namely water, and a connecting substance 68 are used as the starting material for the production of the slurry. A cellulose derivative, namely cellulose carbonate, is used as the binder 66 . Bisphenol A diglycidyl ether is used as compound 68 . The binder 66 and the connecting substance 68 are thus organic compounds with carbon chains 67, 69, ie the carbon chain 67 of cellulose carbonate ( 8th ) and the carbon chain 69 of the linker 68 as bisphenol A diglycidyl ether ( 9 ). The carbon chain 67 of the cellulose derivative is much longer than in 8th shown, i.e. in 8th only part of the chain 67 of the cellulose derivative is shown. The carbon chain 67 of the cellulose derivative has a hydroxy group 71 ( 8th ). The carbon chain 69 of the connecting substance 68 has an oxygen atom 72 at an end region.

Das Herstellen des Slurry für die Beschichtung der Kontaktplatte 63 wird ausgeführt, indem die Ausgangsstoffe, nämlich die Kohlenstoffpartikel, das Bindemittel 66, das Lösungsmittel Wasser und der Verbindungsstoff 68 in einem entsprechend vorgegebenen Massenverhältnis zueinander einer Mischeinrichtung zugegeben werden und anschließend miteinander zu dem Slurry vermischt werden. Anschließend erfolgt das Aufbringen des Slurry auf die Oberfläche der Kontaktplatte 63, d. h. das Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte 63 mit dem Slurry, sodass eine Rohbeschichtung 64 auf der Oberfläche der Kontaktplatte 63 ausgebildet wird. Die Rohbeschichtung 64 wird dabei nur auf dem aktiven Bereichen 62 der Kontaktplatte 63 aufgebracht, d. h. an den Bereichen mit den Kanälen 12 für Brennstoff und den Kanälen 13 für Oxidationsmittel. In 6 und 7 sind diese Bereiche mit der Rohbeschichtung 68 mit einer entsprechenden doppelten Schraffur versehen.The slurry for the coating of the contact plate 63 is produced by adding the starting materials, namely the carbon particles, the binder 66, the solvent water and the connecting substance 68 to a mixing device in a correspondingly predetermined mass ratio and then mixing them together to form the slurry . The slurry is then applied to the surface of the contact plate 63, ie the surface of the contact plate 63 is coated with the slurry, so that a raw coating 64 is formed on the surface of the contact plate 63. The raw coating 64 is only applied to the active areas 62 of the contact plate 63, ie to the areas with the channels 12 for fuel and the channels 13 for oxidizing agent. In 6 and 7 these areas are provided with the raw coating 68 with a corresponding double hatching.

Nach dem Aufbringen dieser Rohbeschichtung 64 aus dem Slurry wird die Kontaktplatte 63 mit der Rohbeschichtung 64 auf eine Temperatur zwischen 80 °C und 200 °C erwärmt indem die Kontaktplatte 63 mit der Rohbeschichtung 64 in einem Ofen angeordnet wird. Dies kann dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden, d. h. dass entweder die Kontaktplatte 63 in einem kontinuierlichen Verfahren durch den Ofen (nicht dargestellt) bewegt wird oder diskontinuierlich die Kontaktplatte 63 mit der Rohbeschichtung 64 in einen Ofen eingebracht und anschließend eine vorgegebenen Zeit feststehend in dem Ofen verbleibt und anschließend aus dem Ofen wieder entfernt wird. Während dieses Erwärmens und Vorhaltens der Kontaktplatte 63 mit der Rohbeschichtung 64 in dem nicht dargestellten Ofen wird eine chemische Verbindung 73 zwischen den Kohlenstoffketten 67 des Bindemittels 66 mittels der Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 als Verbindungselemente ausgeführt. Zusätzlich wird ein Trocknen und Erhärten der Rohbeschichtung 64 ausgeführt zu der Beschichtung 65 als Umwandlung. In 10 ist eine Kohlenstoffkette 70 nach der Herstellung der chemischen Verbindung 73 zwischen der Kohlenstoffkette 67 des Bindemittels 66 und der Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 dargestellt. Die Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 ist in 10 im Vergleich zu 9 geringfügig anders graphisch dargestellt bzw. weist Modifikationen auf. Die chemische Verbindung 73 wird dabei an der Kohlenstoffkette 67 des Bindemittels 66 im Endbereich der Hydroxygruppe 71 hergestellt und an der Kohlenstoffkette 69 des Verbindungsstoffes 68 im Endbereich des Sauerstoffatoms 72. In 11 sind stark schematisierte 2 langkettige Kohlenstoffketten 74 des Bindemittels 66 dargestellt, welche mit 2 Kohlenstoffketten 75 des Verbindungsstoffes 68 miteinander verbunden sind.After this raw coating 64 has been applied from the slurry, the contact plate 63 with the raw coating 64 is heated to a temperature between 80° C. and 200° C. by placing the contact plate 63 with the raw coating 64 in an oven. This can be carried out continuously or discontinuously, ie either the contact plate 63 is moved through the oven (not shown) in a continuous process or the contact plate 63 with the raw coating 64 is introduced into an oven discontinuously and then fixed in the oven for a predetermined time remains and is then removed from the oven. During this heating and holding of the contact plate 63 with the raw coating 64 in the furnace, not shown, a chemical bond 73 is carried out between the carbon chains 67 of the binder 66 by means of the carbon chains 69 of the bonding agent 68 as connecting elements. In addition, drying and curing of the green coat 64 is carried out to the coat 65 as conversion. In 10 A carbon chain 70 is shown after the chemical bond 73 has been formed between the carbon chain 67 of the binder 66 and the carbon chain 69 of the bonding agent 68 . The carbon chain 69 of the connecting substance 68 is in 10 compared to 9 graphically represented slightly differently or has modifications. The chemical bond 73 is thereby produced on the carbon chain 67 of the binder 66 in the end region of the hydroxy group 71 and on the carbon chain 69 of the connecting substance 68 in the end region of the oxygen atom 72. In 11 2 long-chain carbon chains 74 of the binding agent 66 are shown in highly schematic form, which are connected to one another with 2 carbon chains 75 of the connecting substance 68 .

Aufgrund der großen Länge der langkettigen Kohlenstoffketten 74 des Bindemittels 68 sind diese tatsächlich mit einer Vielzahl an Kohlenstoffketten 75 als Verbindungselemente miteinander verbunden. Mittels der Ausbildung dieser chemischen Verbindungen 73 während des Vorhaltens der Kontaktplatte 63 mit der Rohbeschichtung 64 in dem Ofen wird die Rohbeschichtung 64 durch Trocknen und Erhärten in die Beschichtung 65 der Kontaktplatte 63 umgewandelt und dadurch die Kontaktplatte 63 abschließend hergestellt.Due to the great length of the long-chain carbon chains 74 of the binder 68, these are actually connected to one another with a large number of carbon chains 75 as connecting elements. By means of the formation of these chemical compounds 73 while the contact plate 63 with the raw coating 64 is held in the oven, the raw coating 64 is converted into the coating 65 of the contact plate 63 by drying and hardening, and the contact plate 63 is finally produced as a result.

Aufgrund dieser Vernetzung der langkettigen Kohlenstoffketten 67, 74 des Bindemittels 66 miteinander mittels der Verbindungselemente, gebildet von den Kohlenstoffketten 69 des Verbindungsstoffes 68, wird die Wasserlöslichkeit der Beschichtung 65 auf im Wesentlichen wasserunlöslich reduziert. Diese vernachlässigbare Wasserlöslichkeit der Beschichtung 65 der Kontaktplatte 63 ist notwendig, weil der Brennstoff und das Oxidationsmittel, welche durch die Kanäle 12, 13 geleitet werden, befeuchtet sind und sich außerdem aufgrund der elektrochemischen Reaktion an den Kathoden 8 Wasser bildet, sodass aufgrund der Feuchtigkeit und des Wassers an den Kanälen 12, 13 bei einer Wasserlöslichkeit die Beschichtung 65 aufgelöst werden würde.Due to this crosslinking of the long-chain carbon chains 67, 74 of the binder 66 with one another by means of the connecting elements formed by the carbon chains 69 of the connecting substance 68, the water solubility of the coating 65 is reduced to essentially water-insoluble. This negligible water solubility of the coating 65 of the contact plate 63 is necessary because the fuel and the oxidizing agent, which are conducted through the channels 12, 13, are moistened and also forms due to the electrochemical reaction at the cathodes 8 water, so that due to the moisture and of the water at the channels 12, 13 with a water solubility the coating 65 would be dissolved.

Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Kontaktplatte 63, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Die getrocknete und erhärtete Beschichtung 65 ist überwiegend aus den Kohlenstoffpartikeln ausgebildet, vorzugsweise zu wenigstens 50 Masse-%, 70 Masse-% oder 80 Masse-%. Die Beschichtung 65 mit den Kohlenstoffpartikeln reduziert den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Bipolarplatten 10 und den Gasdiffusionsschichten 9, welche auf den aktiven Bereichen 62 der Bipolarplatten 10 aufliegen. Dadurch ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen den Gasdiffusionsschichten 9 und den Bipolarplatten 10 an den Kanälen 12, 13 gewährleistet, sodass die Brennstoffzelleneinheit 1 eine große elektrische Leistung pro Masse und Volumeneinheit aufweist. Die Verwendung von Bindemittel 66 aus dem Cellulosederivat hat den wesentlichen Vorteil, dass einfache, preiswerte und nicht toxische Prozesse ablaufen. Cellulosederivate sind chemische Derivate der Zellulose mit verschiedenen Substitutionsgraden von beispielsweise 1 bis 3. Im Substitutionsgrad 1 ist beispielsweise eine Hydroxygruppe pro Glucoseeinheit substituiert. Cellulosederivate sind Derivate der Zellulose, die z. B. durch eine Reaktion der Hydroxygruppe mit Säuren entstehen. Als weitere Modifikationen der Zellulose könnten optional, soweit im Einzelfall geeignet, beispielweise eine Veresterung (Celluloseester), Methylierung (Methylcellulse), Ethylierung, Hydroxypropylierung, Sulfonierung, Nitrierung (Cellulosenitrat), Acetylierung (Celluloseacetat), Oxidation, Xanthogenierung, Quervernetzung und Copolymerisation für die Herstellung eines Cellulosederivates für den Slurry eingesetzt werden. Aufgrund der vernachlässigbaren Wasserlöslichkeit der Beschichtung 65 wird auch bei einer langjährigen Benutzung der Brennstoffzelleneinheit 1 die Beschichtung 65 nicht durch Wasser oder Feuchtigkeit gelöst. Dies gilt analog auch für eine Elektrolysezelleneinheit 49, bei der als Elektrolyt Wasser durch die Kanäle 12 und 13 geleitet wird.Considered overall, the method according to the invention for producing the contact plate 63, the method according to the invention for producing the electrochemical cell unit 53 and the electrochemical cell unit 53 according to the invention have significant advantages. The dried and hardened coating 65 is predominantly formed from the carbon particles, preferably at least 50% by mass, 70% by mass or 80% by mass. The coating 65 with the carbon particles reduces the electrical cal contact resistance between the bipolar plates 10 and the gas diffusion layers 9, which rest on the active areas 62 of the bipolar plates 10. This ensures high electrical conductivity between the gas diffusion layers 9 and the bipolar plates 10 at the channels 12, 13, so that the fuel cell unit 1 has a high electrical output per unit of mass and volume. The use of binder 66 made from the cellulose derivative has the significant advantage that simple, inexpensive and non-toxic processes take place. Cellulose derivatives are chemical derivatives of cellulose with different degrees of substitution, for example from 1 to 3. In the degree of substitution 1, for example, one hydroxyl group per glucose unit is substituted. Cellulose derivatives are derivatives of cellulose, z. B. by a reaction of the hydroxy group with acids. As further modifications of the cellulose could optionally, as far as appropriate in the individual case, for example an esterification (cellulose ester), methylation (methyl cellulose), ethylation, hydroxypropylation, sulfonation, nitration (cellulose nitrate), acetylation (cellulose acetate), oxidation, xanthogenation, cross-linking and copolymerization for the Production of a cellulose derivative for the slurry are used. Due to the negligible solubility in water of the coating 65, the coating 65 is not dissolved by water or moisture even after many years of use of the fuel cell unit 1. This also applies analogously to an electrolytic cell unit 49 in which water is passed through the channels 12 and 13 as the electrolyte.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (15)

Verfahren zur Herstellung einer Kontaktplatte (63) als Monopolarplatte und/oder Bipolarplatte (10) 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 Kontaktplatte (63), - zur Verfügung stellen der Ausgangsstoffe Kohlenstoffpartikel und Bindemittel (66) für einen Slurry, - Herstellen eines Slurry indem die Ausgangsstoffe miteinander vermischt werden, - wenigstens teilweises Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit dem Slurry, so dass die Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit einer Rohbeschichtung (64) aus dem Slurry beschichtet ist, - Trocknen der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit der aufgebrachten Rohbeschichtung (64) aus dem Slurry, so dass die Rohbeschichtung (64) in eine Beschichtung (65) umgewandelt wird und die Kontaktplatte (63) mit der Beschichtung (65) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel (66) zur Herstellung des Slurry wenigstens ein Cellulosederivat (66) eingesetzt wird.Method for producing a contact plate (63) as a monopolar plate and/or bipolar plate (10) for an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49 ) with stacked electrochemical cells (52) as a cell stack (61) with the steps: - providing a contact plate (63), - providing the starting materials carbon particles and binder (66) for a slurry, - producing a slurry by the starting materials mixed together, - at least partially coating the surface of the contact plate (63) with the slurry, so that the surface of the contact plate (63) is coated with a raw coating (64) from the slurry, - drying the surface of the contact plate (63) with the applied raw coating (64) from the slurry, so that the raw coating (64) is converted into a coating (65) and the contact plate (63) is produced with the coating (65), characterized in that as a binder (66) for Preparation of the slurry at least one cellulose derivative (66) is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel (66) zur Herstellung des Slurry Cellulosecarbonat (66) und/oder Celluloseester (66) eingesetzt wird.procedure after claim 1 , characterized in that cellulose carbonate (66) and/or cellulose ester (66) is used as the binder (66) for producing the slurry. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff zur Herstellung des Slurry ein Lösungsmittel, insbesondere Wasser, zur Verfügung gestellt wird und das Herstellen des Slurry mit dem Lösungsmittel ausgeführt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that a solvent, in particular water, is provided as the starting material for the production of the slurry and the production of the slurry is carried out with the solvent. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff zur Herstellung des Slurry ein Verbindungsstoff (68) zur Verbindung von Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) miteinander zur Verfügung gestellt wird und das Herstellen des Slurry mit dem Verbindungsstoff (68) ausgeführt wirdMethod according to one or more of the preceding claims, characterized in that a connecting substance (68) for connecting carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) to one another is provided as the starting material for producing the slurry, and producing the slurry with the Compound (68) is running Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) mit dem Verbindungsstoff (68), insbesondere mit Kohlenstoffketten (69) des Verbindungsstoffes (68), miteinander verbunden werden, so dass die Wasserlöslichkeit der Beschichtung (65) der Kontaktplatte (63) reduziert wird.procedure after claim 4 , characterized in that the carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) are connected to the connecting substance (68), in particular to carbon chains (69) of the connecting substance (68), so that the water-solubility of the coating (65) of the Contact plate (63) is reduced. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) miteinander verbunden werden nach dem wenigstens teilweisen Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit der Rohbeschichtung aus dem Slurry auf der Oberfläche der Kontaktplatte (63).procedure after claim 4 or 5 , characterized in that the carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) are connected to one another after the surface of the contact plate (63) has been at least partially coated with the raw coating from the slurry on the surface of the contact plate (63). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte (63) nach dem wenigstens teilweisen Beschichten der Oberfläche der Kontaktplatte (63) mit der Rohbeschichtung (64) aus dem Slurry erwärmt wird auf Temperaturen zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the contact plate (63) after the at least partial coating of the surface of the contact plate (63) with the raw coating (64) from the slurry is heated to temperatures between 40°C and 900°C C, in particular between 60°C and 400°C. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) miteinander ausgeführt wird während des Erwärmens der Kontaktplatte (63) und/oder während des erwärmten Zustandes der Kontaktplatte (63) mit der Temperatur zwischen 40°C und 900°C, insbesondere zwischen 60°C und 400°C.procedure after claim 7 , characterized in that the joining of the carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) to each other is carried out during the heating of the contact plate (63) and/or during the heated state of the contact plate (63) with the temperature between 40°C and 900°C, in particular between 60°C and 400°C. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstoff (68) wenigstens ein Bisphenol (68), insbesondere Bisphenol A-diglycidyl-ether (68), ist.Method according to one or more of the Claims 4 until 8th , characterized in that the connecting substance (68) is at least one bisphenol (68), in particular bisphenol A diglycidyl ether (68). Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) an den Enden ein erstes Sauerstoffatom und/oder ein zweites Sauerststoffatom und/oder eine Hydroxygruppe (71) und/oder eine Verbindung aus einem Sauerstoffatom und einen Natriumatom aufweisen.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) have a first oxygen atom and/or a second oxygen atom and/or a hydroxy group (71) and/or a compound at the ends composed of an oxygen atom and a sodium atom. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) miteinander ausgeführt wird indem je eine Kohlenstoffkette (69) des Verbindungsstoffes (68) mit zwei chemischen Verbindungen (73) mit zwei Kohlenstoffketten (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) verbunden wird.Method according to one or more of the Claims 4 until 10 , characterized in that the carbon chains (67) of the at least one cellulose derivative (66) are connected to one another by connecting one carbon chain (69) of the connecting substance (68) to two chemical compounds (73) to two carbon chains (67) of the at least one Cellulose derivative (66) is connected. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei chemischen Verbindungen (73) zwischen einem Endbereich der Kohlenstoffkette (67) des wenigstens einen Cellulosederivats (66) mit der Hydroxygruppe (71) und einem Endbereich der Kohlenstoffkette (69) des Verbindungsstoffes (68) mit dem Sauerstoffatom (72) ausgebildet werden.procedure after claim 11 , characterized in that the two chemical compounds (73) between an end portion of the carbon chain (67) of the at least one cellulose derivative (66) with the hydroxy group (71) and an end portion of the carbon chain (69) of the connecting substance (68) with the oxygen atom ( 72) are trained. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte (63) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl, zur Verfügung gestellt wird.Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the contact plate (63) is made available at least partially, in particular completely, from metal, in particular high-grade steel. 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 gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: - zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Kontaktplatten (63) als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten (10), - Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Zellenstack (61) der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verfügung stellen der Kontaktplatten (63) ausgeführt wird indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.Method for producing an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit (49) with stacked electrochemical cells (52) with the steps: - available Places of layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) of the electrochemical cells (52), namely preferably proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), preferably gas diffusion layers (9) and contact plates (63) as monopolar plates and/or bipolar plates (10), - stacking of the layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) to form electrochemical cells (52) and a cell stack (61) the electrochemical cell unit (53), characterized in that providing the contact plates (63) is carried out by carrying out a method according to one or more of the preceding claims. 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, 63) umfassen, - die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Kontaktplatten (63) als Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten (10) sind, - Kanäle (12, 13, 14) zum Durchleiten von Prozessfluiden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt ist und/oder auf der Oberfläche der Kontaktplatten (63) eine Beschichtung (65) ausgebildet ist und in der Beschichtung (65) Kohlenstoffketten (67) wenigstens eines Cellulosederivats (66) mit einem Verbindungsstoff (68) mit Kohlenstoffketten (69), insbesondere wenigstens einem Bisphenol, miteinander verbunden sind, so dass die Beschichtung (65) im Wesentlichen wasserunlöslich ist.Electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49), comprising - stacked electrochemical cells (52) and the electrochemical cells (52) each stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) comprise, - the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 63) of the electrochemical cells (52), preferably Proton exchange membranes (5), anodes (7), cathodes (8), preferably gas diffusion layers (9) and contact plates (63) as monopolar plates and/or bipolar plates (10), - channels (12, 13, 14) for the passage of process fluids, characterized in that the electrochemical cell unit (53) with a method according to Claim 14 is produced and/or a coating (65) is formed on the surface of the contact plates (63) and in the coating (65) carbon chains (67) of at least one cellulose derivative (66) with a connecting substance (68) with carbon chains (69), in particular at least one bisphenol, are bonded together such that the coating (65) is substantially water insoluble.
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