EP3981039A1

EP3981039A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: EP3981039A1
Application number: EP20725466.5A
Authority: EP
Inventors: Anton Ringel; Andreas RINGK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2022-04-13
Also published as: US20220320532A1; CN114175321A; WO2020244879A1; DE102019208171A1

Abstract

Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte, wenigstens einen Fluidkanal zur Durchleitung eines Fluides, wenigstens eine Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial (42) zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales (37), wobei in dem Dichtmaterial (42) der wenigstens einen Dichtung (11) Partikel (41) aus einem Partikelmaterial (43) angeordnet sind zur Verlängerung des Diffusionspfades (38) des von der wenigstens einen Dichtung (11) abgedichteten Fluides.

Description

Beschreibung

Titel

Brennstoffzelleneinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer

Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.

Stand der Technik

Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels

Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt.

In Brennstoffzelleneinheiten ist es notwendig, Fluide, z. B. Wasser, Luft, Sauerstoff, Wasserstoff oder Methan, durch Fluidkanäle wie Kanäle, Gasräume und Leitungen zu leiten. Diese Fluidkanäle werden mit Dichtungen aus einem Dichtmaterial abgedichtet. Aufgrund des relativ großen Diffusionskoeffizienten des in den Dichtungen eingesetzten Dichtmaterials tritt eine erhebliche Diffusion auf. Kritisch bei den verwendeten Dichtungen ist insbesondere die

Langzeitstabilität gegenüber Diffusion, so dass nach einem Betrieb von mehreren Jahren eine Diffusion auftritt, die störend oder schädlich ist für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit. Brennstoffzelleneinheit weisen somit beispielsweise beim Einsatz in Kraftfahrzeugen die notwendige Langzeitzuverlässigkeit von 10 bis 15 Jahren nicht auf. Die DE 10 2006 053 569 A1 zeigt eine Dichtungsstruktur an einem Trennstück einer Brennstoffzelle.

Aus der DE 10 2004 042 012 A1 ist ein Verfahren zur Ausrichtung von geometrisch anisotropen, partikulären Materialien in Medien mittels eines elektrischen Feldes bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend

Brennstoffzellen, die Brennstoffzellen umfassend jeweils eine

Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine

Gasdiffusionsschicht, eine Bipolarplatte, wenigstens einen Fluidkanal zur Durchleitung eines Fluides, wenigstens eine Dichtung aus einem Dichtmaterial zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales, wobei in dem Dichtmaterial der wenigstens einen Dichtung Partikel aus einem Partikelmaterial angeordnet sind zur Verlängerung des Diffusionspfades des von der wenigstens einen Dichtung abgedichteten Fluides. Aufgrund der Verlängerung des

Diffusionspfades und der großen Langzeitstabilität des Partikelmaterials der Partikel weisen die Dichtungen einen sehr kleinen, durchschnittlichen

Diffusionskoeffizienten bei einer großen Langzeitstabilität von beispielsweise mehr als 10 oder 15 Jahren auf.

In einer zusätzlichen Variante ist der Diffusionskoeffizient des Partikelmaterials der Partikel in je einer Dichtung für das von der je einen Dichtung abzudichtende Fluid kleiner als der Diffusionskoeffizient des Dichtmateriales für das von der je einen Dichtung abzudichtende Fluid. Insbesondere der Diffusionskoeffizient des Partikelmaterials kleiner als 90%, 70%, 60%, 50%, 40% oder 30% des

Diffusionskoeffizienten des Dichtmateriales. In der Dichtung treten somit unterschiedliche Diffusionskoeffizienten auf, insbesondere unterscheiden sich die Diffusionskoeffizienten innerhalb der Dichtung um wenigstens 10%, 20%, 30%, 50%, 100% oder 200%. Zweckmäßig ist das Aspektverhältnis der Partikel größer als 1 , 2, 5, 7 oder 10. Beispielsweise bei einem maximalen Durchmesser in Richtung einer von dem Partikel aufgespannten fiktiven Ebene von 300 pm und einer Dicke des Partikels senkrecht zu der fiktiven Ebene von 30 pm beträgt das Aspektverhältnis

300:30=10:1=10

In einer zusätzlichen Variante sind die Partikel plättchenförmig oder nadelförmig ausgebildet.

In einer ergänzenden Ausgestaltung sind die von den Partikeln aufgespannten fiktiven Ebenen im Wesentlichen senkrecht zu einer idealen Diffusionsrichtung in der je einer Dichtung ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet, dass die fiktive Ebene mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5° senkrecht zu einer idealen Diffusionsrichtung ausgerichtet ist. Eine ideale Diffusionsrichtung ist eine gerade Richtung idealisiert dargestellt von einer Halbgeraden mit einem minimalen Weg des abzudichtenden Fluides durch die Dichtung ohne Berücksichtigung der Partikel. Die Partikel sind im Wesentlichen scheibenförmig und/oder plattenförmig und/oder nadelförmig ausgebildet und spannen damit je eine fiktive Ebene auf.

Vorzugsweise sind die Partikel anisotrop ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Partikelmaterial ein

polarisierbares Material und/oder ein Material mit Dipoleigenschaft, so dass die Partikel insgesamt eine Dipoleigenschaft aufweisen zur Ausrichtung der Partikel in einem elektrischen Feld.

In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst das Partikelmaterial ein

ferromagnetisches Material zur Ausrichtung der Partikel in einem Magnetfeld.

Zweckmäßig ist der maximale Durchmesser der Partikel kleiner als 1000 pm,

700 pm, 500 pm oder 300 pm.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der maximale Durchmesser der Partikel größer als 5 pm, 10 pm, 100 pm oder 200 pm. In einer ergänzenden Variante liegt das Verhältnis aus dem Volumenanteil und/oder dem Massenanteil zwischen dem Partikelmaterial und dem

Dichtmaterial zwischen 1 % und 95%, vorzugsweise zwischen 3% und 80%, insbesondere zwischen 5% und 70%. Beispielsweise bei einem Volumenanteil der Summe der Partikel und/oder des Partikelmaterials in einer Dichtung von 5 ml und einem Volumenanteil des Dichtmaterials von 20 ml beträgt das

Verhältnis somit 5/20=25%.

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen von Komponenten für Brennstoffzellen, zur Verfügung stellen von wenigstens einer Dichtung aus einem Dichtmaterial, Zusammenfügen der Komponenten der Brennstoffzellen zu den Brennstoffzellen, so dass von der wenigstens einen Dichtung wenigstens ein Fluidkanal abgedichtet wird, Zusammenfügen der Brennstoffzellen zu der

Brennstoffzelleneinheit, wobei die Dichtung dahingehend zur Verfügung gestellt wird, so dass in dem Dichtmaterial der wenigstens einen Dichtung Partikel aus einem Partikelmaterial angeordnet sind zur Verlängerung des Diffusionspfades des von der Dichtung abgedichteten Fluides.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung weisen die Partikel in je einer ersten

Richtung einen maximalen Durchmesser auf und in je einer zweiten Richtung einen minimalen Durchmesser auf und die jeweils erste und zweite Richtung sind senkrecht zueinander und in einer von den Partikeln aufgespannten jeweiligen fiktiven Ebene ausgerichtet und die Partikel werden in der Dichtung mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgerichtet, so dass die je erste und zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer idealen Diffusionsrichtung in dem Diffusionspfad in der je einer Dichtung ausgerichtet ist.

In einer weiteren Ausführungsform wird die wenigstens eine Dichtung, insbesondere vor dem Zusammenfügen der Komponenten der Brennstoffzellen, in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld angeordnet und während des Anordnens der wenigstens einen Dichtung in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld die Partikel Bewegungen, insbesondere

Rotationsbewegungen, in dem Dichtmaterial ausführen. Die Rotationsbewegung bewirkt die Ausrichtung der Partikel in der Dichtung, d. h. die Partikel gemäß der Beschreibung in dieser Schutzrechtsanmeldung in der Dichtung ausgerichtet werden.

In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Dichtmaterial der wenigstens einen Dichtung nach dem Ausrichten der Partikel in der wenigstens einen Dichtung ausgehärtet.

Vorzugsweise wird während des Zusammenfügens der Brennstoffzellen zu der Brennstoffzelleneinheit mit der wenigstens einen Dichtung wenigstens ein Fluidkanal abgedichtet.

In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Partikel in je einer ersten Richtung einen maximalen Durchmesser auf und in je einer zweiten Richtung einen minimalen Durchmesser auf und die jeweils erste und zweite Richtung sind senkrecht zueinander und in einer Ebene ausgerichtet und die Partikel in der Dichtung angeordnet sind, so dass die je erste und zweite Richtung im

Wesentlichen senkrecht zu einer idealen Diffusionsrichtung in der je einer Dichtung ausgerichtet ist.

In einer zusätzlichen Variante sind die Partikel wenigstens teilweise,

insbesondere vollständig, aus einem geometrisch anisotropen und/oder partikulären Material ausgebildet. Anisotrop bedeutet insbesondere, dass die Partikel aufgrund der Geometrie und/oder des Partikelmaterials der Partikel in verschiedenen Richtungen des Raumes unterschiedliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.

Zweckmäßig ist die abzudichtende Schicht eine Bipolarplatte und/oder ein Gehäuse und/oder eine Wandung eines Kanales und/oder eine Wandung einer Zufuhrleitung und/oder eine Wandung einer Abfuhrleitung.

In einer ergänzenden Variante umfassen die Partikel als Partikelmaterial Schichtsilikate und/oder Glas und/oder Siliziumdioxid und/oder Eisenoxid und/oder wenigstens eine Metall und/oder Titandioxid und/oder Aluminiumoxid und/oder organische Materialien, beispielsweise Flüssigkristalle. In einer weiteren Ausführungsform wird mit dem in dieser

Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer

Brennstoffzelleneinheit eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit hergestellt und/oder das Verfahren wird gemäß wenigstens eines Merkmales der in dieser Schutzrechtsanmeldung

beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ausgeführt.

In einer ergänzenden Variante ist die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt.

In einer weiteren Ausgestaltung werden während der Anordnung der Dichtung in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld die von den Partikeln

aufgespannten fiktiven Ebenen im Wesentlichen senkrecht zu der idealen Diffusionsrichtung in der je einen Dichtung ausgerichtet.

In einer zusätzlichen Variante werden als Komponenten für Brennstoffzellen Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten zur Verfügung gestellt.

In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.

Zweckmäßig sind Komponenten für Brennstoffzellen

Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.

Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.

Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit

Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigen Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die

Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.

In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet ist.

Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.

Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, Reformatgas oder Erdgas.

Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.

In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.

Vorzugsweise ist eine Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines

Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit als

Brennstoffzellenstapel, d. h. einen Brennstoffzellenstack,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Dichtung mit einer Schnittebene parallel zu einem Diffusionspfad eines von der Dichtung abzudichtenden Fluides,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Dichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit mit der

Schnittebene parallel zu der idealen Diffusionsrichtung des von der Dichtung abzudichtenden Fluides,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Dichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit mit der

Fig. 8 eine auf eine Trägerschicht aufgetragene Dichtung mit der in die

Dichtung integrierten Partikeln vor dem Ausrichten der Partikel in einem elektrischen und/oder magnetischen Feld,

Fig. 9 die auf die Trägerschicht aufgetragene Dichtung mit der in die Dichtung integrierten Partikeln während des Anordnens in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld und nach dem Ausrichten der Partikel,

Fig. 10 die auf die Trägerschicht aufgetragene Dichtung mit der in die Dichtung integrierten Partikeln nach dem Ausrichten der Partikel und während des Aushärtens eines Dichtmaterials der Dichtung,

Fig. 11 eine Dichtung mit ausgerichteten integrierten Partikeln zwischen einer ersten und zweiten abzudichtenden Schicht in der montierten

Brennstoffzelleneinheit,

Fig. 12 eine vereinfachte perspektivische Ansicht des Partikels, Fig. 13 eine vereinfachte Seitenansicht des Partikels gemäß Fig. 12 und

Fig. 14 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Brennstoffzelleneinheiten.

In den Fig. 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 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.

Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode:

0₂ + 4 H⁺ + 4 e- ~» 2 H₂0

Anode:

2 H₂ -» 4 H⁺ + 4 e-

Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:

2 H₂ + 0_{2 ~}» 2 H₂0

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 Brennstoffzellestapel 1 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.

Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem einen 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 50 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren

eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als

Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die

Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.

Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 6, 7 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Array, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 6, 7 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 heiß verpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31 , 32 hin normalerweise jeweils eine

Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem

Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin- Ruthenium auf grafitierten Rußpartikel, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.

Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die

Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 dient zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur

Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem

hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.

Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige

Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemische Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels 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 oder Grafit eingesetzt

In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehreren Brennstoffzellen 2 übereinander angeordnet (Fig. 4). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei übereinander angeordneten Brennstoffzellen 1 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31 , 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 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 (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.

Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das

Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der

elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten

Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und können konstruktiv tatsächlich unterschiedlich ausgebildet sein, beispielsweise als Bohrungen in einem Rahmen (nicht dargestellt) oder als fluchtende Bohrungen am Endbereich (nicht dargestellt) aufeinander liegenden Bipolarplatten 10. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 17, 18, 25, 26, 27, 28 und die Kanäle 12, 13, 14 sowie der Gasraum 31 für Brennstoff und der Gasraum 32 für Oxidationsmittel bilden je einen Fluidkanal 37 zur Durchleitung eines Fluides.

In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 300 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die

Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere

Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11 , zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.

In Fig. 5 ist ein Schnitt mit einer Schnittebene parallel zu einem Diffusionspfad 38 für ein abzudichtendes Fluid durch eine aus dem Stand bekannte Dichtung 11 aus einem Dichtmaterial 42 dargestellt. Auch Feststoffe weisen einen

Diffusionskoeffizienten auf, so dass durch das Dichtmaterial 42 das Fluid auf einem geraden Diffusionspfad 38 als ideale Diffusionsrichtung 53 durch diffundieren kann. Aufgrund des geraden Diffusionspfades kann das durch das Dichtmaterial 42 durch diffundierende Fluid einen kleinen minimalen Weg zurücklegen, so dass ein relativ großer Volumenstrom an Fluid durch das Dichtmaterial 42 durch diffundieren kann.

In Fig. 6 ist ein Schnitt mit einer Schnittebene parallel zu der idealen

Diffusionsrichtung 53 für ein abzudichtendes Fluid durch eine Dichtung 11 in einem ersten Ausführungsbeispiel in einer erfindungsgemäßen

Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Das abzudichtende Fluid, beispielsweise der Brennstoff Wasserstoff H2, das Oxidationsmittel Luft oder ein flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser mit Frostschutzmittel, wird durch einen Fluidkanal 37 geleitet und der Fluidkanal 37 wird von der Dichtung 11

abgedichtet. Die Dichtung 11 umfasst ein Dichtmaterial 42, beispielsweise ein Polymer wie PPS (Polyphenylensulfid als temperaturbeständiger

thermoplastischer Kunststoff), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kauschuk als Synthesekautschuk) oder Klebstoff sowie außerdem Partikel 41 aus einem Partikelmaterial 43. Der Diffusionskoeffizient des Partikelmaterials 43 ist wesentlich kleiner als der Diffusionskoeffizient des Dichtmaterials 42, so dass das mit der Dichtung 11 abzudichtende Fluid im Wesentlichen nicht durch die Partikel 41 durch diffundieren kann, so dass der Diffusionspfad 38 des Fluides im Wesentlichen ausschließlich in dem Dichtmaterial 42 verläuft. Die Partikel 41 bildet damit eine Diffusionssperre für das Fluid und damit verläuft der

Diffusionspfad 38 um die Partikel 41 herum. Damit tritt bei der Dichtung 11 gemäß Fig. 6 ein längerer Diffusionspfad 38 auf als bei der Dichtung 11 gemäß Fig. 5. Der längere Diffusionspfad 38 bewirkt, dass die Dichtung 11 insgesamt einen kleineren durchschnittlichen Diffusionskoeffizienten aufweist als die Dichtung 11 gemäß Fig. 5 aus dem Stand der Technik.

In Fig. 7 ist ein Schnitt mit einer Schnittebene parallel zu der idealen

Diffusionsrichtung 53 für ein abzudichtendes Fluid durch eine Dichtung 11 in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer erfindungsgemäßen

Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Partikel 41 sind wie in Fig. 6

scheibenförmig oder plättchenförmig ausgebildet (Fig. 12) und weisen in einer ersten Richtung 44 einen maximalen Durchmesser 46 auf und in einer zweiten Richtung 45 einen minimalen Durchmesser 47 auf. Die erste und zweite Richtung 44, 45 stehen aufeinander senkrecht und liegen in einer von dem

scheibenförmigen Partikel 41 aufgespannten fiktiven Ebene 54 (Fig. 13). Der maximale Durchmesser beträgt 500 pm und der minimale Durchmesser beträgt 250 pm, so dass die Partikel 41 ein Aspektverhältnis von 2:1 innerhalb der fiktiven Ebene 54 aufweisen. Die Dicke senkrecht zu der fiktiven Ebene 54 beträgt 20 pm, so dass das Aspektverhältnis 500/20=25 beträgt. Die erste und zweite Richtung 44, 45 und die von den Partikeln 41 aufgespannten fiktiven Ebenen 54 sind senkrecht zu der idealen Diffusionsrichtung 53 zur Erzielung einer kleinen Diffusion ausgerichtet. Damit ist das Fluid gezwungen, einen sehr langen Diffusionspfad 38 durch die Dichtung 11 auszuführen, so dass die Dichtung 11 insgesamt einen kleineren durchschnittlichen Diffusionskoeffizienten aufweist. Damit kann durch die Dichtung 11 nur sehr wenig Fluid durch diffundieren. Die Partikel 41 sind aus einer Ausrichtschicht 55 und einer

Diffusionssperrschicht 56 aufgebaut. Die Ausrichtschicht 55 dient zur Ausrichtung in einem elektrischen oder magnetischen Feld. Bei der Anordnung der Partikel 41 in einem Magnetfeld ist die Ausrichtschicht 55 beispielsweise eine

ferromagnetische Schicht aus y-Fe2C>3, Magnesit, Eisen, Cobalt oder Nickel. Bei der Anordnung der Partikel 41 in einem elektrischen Feld ist die Ausrichtschicht 55 aus einen polarisierbaren Material oder einem Material mit Dipoleigenschaft ausgebildet. Dies sind beispielsweise Materialien aus Molekülen mit einer polaren Atombindung bei der die Moleküle einen asymmetrischen Aufbau aufweisen wie Aluminiumchlorid (AlC ). Als Diffusionssperrschicht 56 kann beispielsweise Glas oder eine Metallschicht, beispielsweise Eisen, Messing oder Kupfer, eingesetzt werden mit einem sehr kleinen Diffusionskoeffizienten.

In den Fig. 8 bis 11 sind die Schritte zur Herstellung einer Dichtung 11 mit den ausgerichteten Partikeln 41 abgebildet. Zunächst wird ein zur Verfügung stellen 57 eines nicht ausgehärteten Dichtmaterials 42 mit Partikeln 41 ausgeführt. Ein Dichtmaterial 42 mit integrierten Partikeln 41 wird auf eine Trägerschicht 48 als eine erste abzudichtende Schicht 49 aufgebracht 58, z. B. mittels eines Dispensers. Die erste abzudichtende Schicht 49 ist die

Bipolarplatte 10. Anschließend wird über das Dichtmaterial 42 mit den

Partikeln 41 eine Polplatte 51 bewegt und zwischen der Polplatte 51 und der Bipolarplatte 10 eine elektrische Spannung angelegt, so dass sich zwischen der positiv geladenen Polplatte 51 und der Bipolarplatte 10 als negativ geladener Polplatte 52 mit dem aufgebrachten Dichtmaterial 42 ein statisches elektrisches Feld mit einer Feldstärke zwischen 10² bis 10⁶ V/m ausgebildet. Abweichend kann es sich auch um ein elektrisches Wechselfeld handeln. Das

Dichtmaterial 42 als fluides Medium ist in Fig. 9 noch nicht ausgehärtet und weist eine ausreichende Viskosität auf, so dass die Partikel 41 in dem Dichtmaterial 52 eine Bewegung, insbesondere Rotationsbewegung, ausführen können und sich gemäß der Darstellung in Fig. 9 dahingehend ausrichten 59, dass die von den Partikeln 41 aufgespannten fiktiven Ebenen 54 im Wesentlichen senkrecht zu der idealen Diffusionsrichtung 53 ausgerichtet werden. Anschließend wird das Dichtmaterial 42 ausgehärtet 60, beispielsweise thermisch oder mittels

Bestrahlung. Nach der Aushärtung 60 des Dichtmaterials 42 mit den

ausgerichteten Partikeln 41 erfolgt die Montage der Brennstoffzelleneinheit 1 , so dass auf die Dichtung 11 eine zweite abzudichtende Schicht 50 als eine

Bipolarplatte 10 aufgelegt wird, d. h. es wird ein Anordnen 61 der Dichtung 11 zwischen zwei abdichtenden Schichten 49, 50 ausgeführt. Abweichend von dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel kann in dem in Fig. 8 dargestellten Verfahrensschritt das Dichtmaterial 42 mit den nicht ausgerichteten Partikeln 41 auf eine Trägerschicht 48 aufgebracht werden, die nicht als spätere

abzudichtende Schicht 49 fungiert, insbesondere keine Bipolarplatte 10 ist, so dass nach dem Ausrichten der Partikel 41 und dem Aushärten des

Dichtmaterials 42 die Dichtung 11 von der Trägerschicht 48 entfernt wird und auf eine abzudichtende Schicht 49, 50 aufgelegt wird, insbesondere zwischen zwei abzudichtenden Schichten 49, 50 angeordnet 61 wird.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird analog zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel in Fig. 9 das Dichtmaterial 42 mit den Partikeln 41 in einem magnetischen Feld angeordnet zur Ausrichtung der Partikel 41.

Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der

Brennstoffzelleneinheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Als Dichtmaterial 42 in den Dichtungen 11 ist es aufgrund der notwendigen Eigenschaften des

Dichtmaterials 42 notwendig, Dichtmaterialien 42 mit einem relativ großem Diffusionskoeffizienten einzusetzen, weil beispielsweise Glas als Dichtmaterial 42 nicht eingesetzt werden. Die ausgerichteten Partikel 41 weisen einen sehr kleinen Diffusionskoeffizienten auf und erhöhen wesentlich die Länge des Diffusionspfades 38, so dass dadurch die Dichtung 11 einen wesentlichen kleineren durchschnittlichen Diffusionskoeffizienten aufweist als bei einer Ausbildung aus dem Stand der Technik nur aus dem Dichtmaterial 42 ohne den Partikeln 41.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffzelleneinheit (1) als Brennstoffzellenstapel (1) zur

elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend

- Brennstoffzellen (1), die Brennstoffzellen (1) umfassend jeweils eine Protonenaustauschermembran (5), eine Anode (7), eine Kathode (8), eine Gasdiffusionsschicht (9), eine Bipolarplatte (10),

- wenigstens einen Fluidkanal (37) zur Durchleitung eines Fluides,

- wenigstens eine Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial (42) zur Abdichtung des wenigstens einen Fluidkanales (37), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dichtmaterial (42) der wenigstens einen Dichtung (11) Partikel (41) aus einem Partikelmaterial (43) angeordnet sind zur Verlängerung des Diffusionspfades (38) des von der wenigstens einen Dichtung (11) abgedichteten Fluides.

2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionskoeffizient des Partikelmaterials (43) der Partikel (41) in je einer Dichtung (11 ) für das von der je einen Dichtung (11) abzudichtende Fluid kleiner ist als der Diffusionskoeffizient des Dichtmateriales (42) für das von der je einen Dichtung (11) abzudichtende Fluid.

3. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Partikel (11) größer als 1 , 2, 5, 7 oder 10 ist.

4. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (41) plättchenförmig oder nadelförmig ausgebildet sind.

5. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Partikeln (41) aufgespannten fiktiven Ebenen (54) im

Wesentlichen senkrecht zu einer idealen Diffusionsrichtung (53) in der je einer Dichtung (11) ausgerichtet sind.

6. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (41) anisotrop ausgebildet sind.

7. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelmaterial (43) ein polarisierbares Material und/oder ein

Material mit Dipoleigenschaft umfasst, so dass die Partikel (41) insgesamt eine Dipoleigenschaft aufweisen zur Ausrichtung der Partikel (41) in einem elektrischen Feld.

8. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelmaterial (43) ein ferromagnetisches Material umfasst zur Ausrichtung der Partikel in einem Magnetfeld.

9. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser (46) der Partikel (41) kleiner als 1000 pm,

700 pm, 500 pm oder 300 pm ist.

10. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser (46) der Partikel (41) größer als 5 pm, 10 pm, 100 pm oder 200 pm ist.

11. Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Volumenanteil und/oder dem Massenanteil zwischen dem Partikelmaterial (43) und dem Dichtmaterial (42) zwischen 1 % und 95%, vorzugsweise zwischen 3% und 80%, insbesondere zwischen 5% und 70%, liegt.

12. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit (1) mit den

Schritten: zur Verfügung stellen von Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) für Brennstoffzellen (2),

zur Verfügung stellen von wenigstens einer Dichtung (11) aus einem Dichtmaterial (42),

Zusammenfügen der Komponenten der Brennstoffzellen (2) zu den Brennstoffzellen (2), so dass von der wenigstens einen Dichtung (1) wenigstens ein Fluidkanal (37) abgedichtet wird,

Zusammenfügen der Brennstoffzellen (2) zu der

Brennstoffzelleneinheit (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) dahingehend zur Verfügung gestellt wird, so dass in dem Dichtmaterial (42) der wenigstens einen Dichtung (11) Partikel (41) aus einem Partikelmaterial (43) angeordnet sind zur Verlängerung des Diffusionspfades (38) des von der Dichtung (11) abgedichteten Fluides.

13. Verfahren nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (41) in je einer ersten Richtung (44) einen maximalen

Durchmesser (46) aufweisen und in je einer zweiten Richtung (45) einen minimalen Durchmesser (47) aufweisen und die jeweils erste und zweite Richtung (44, 45) senkrecht zueinander und in einer von den Partikeln (41) aufgespannten jeweiligen fiktiven Ebene (54) ausgerichtet sind und die Partikel (41) in der Dichtung (11) mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgerichtet werden, so dass die je erste und zweite Richtung (44, 45) im Wesentlichen senkrecht zu einer idealen

Diffusionsrichtung (53) in der je einer Dichtung (11) ausgerichtet ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13,. dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichtung (11), insbesondere vor dem Zusammenfügen der Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10) der Brennstoffzellen (1), in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld angeordnet wird und während des Anordnens der wenigstens einen Dichtung (11) in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld die Partikel (41) Bewegungen, insbesondere Rotationsbewegungen, in dem Dichtmaterial (42) ausführen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial (42) der wenigstens eine Dichtung (11) nach dem Ausrichten der Partikel (41) in der wenigstens einen Dichtung (11) ausgehärtet wird.