WO2022263128A1 - Kontaktvorrichtung, verfahren zur herstellung einer kontaktvorrichtung, elektrochemische zelle sowie elektrochemischer zellenstapel - Google Patents

Kontaktvorrichtung, verfahren zur herstellung einer kontaktvorrichtung, elektrochemische zelle sowie elektrochemischer zellenstapel Download PDF

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WO2022263128A1
WO2022263128A1 PCT/EP2022/064083 EP2022064083W WO2022263128A1 WO 2022263128 A1 WO2022263128 A1 WO 2022263128A1 EP 2022064083 W EP2022064083 W EP 2022064083W WO 2022263128 A1 WO2022263128 A1 WO 2022263128A1
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WO
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contact
substrate
contact means
cell
polymer material
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Application number
PCT/EP2022/064083
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wiebke Germer
Leif-Arvid Schillert
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
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Publication date
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09J5/00—Adhesive processes in general; Adhesive processes not provided for elsewhere, e.g. relating to primers
    • C09J5/10—Joining materials by welding overlapping edges with an insertion of plastic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/536—Electrode connections inside a battery casing characterised by the method of fixing the leads to the electrodes, e.g. by welding
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    • C09J2203/00—Applications of adhesives in processes or use of adhesives in the form of films or foils
    • C09J2203/33—Applications of adhesives in processes or use of adhesives in the form of films or foils for batteries or fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a contact device, a method for producing a contact device, an electrochemical cell and an electrochemical cell stack.
  • Contact devices are used for electrical and, if necessary, for thermal contacting of at least two technical components.
  • the contact device is usually of flat design and is placed between the two components to be contacted, so that a mutual contact with said components is created.
  • the contact device For electrical contact, the contact device has a high electrical conductivity. If an electrical voltage is present between the two components to be electrically contacted, the arrangement of the contact device between the components leads to a current flow through the contact device.
  • the contact device described above can also be used for thermal contacting of the components.
  • One of the components e.g. an electronic component, represents a heat source, while the other of the two components, e.g. a cooling element, represents a heat sink.
  • the current conduction or the heat conduction is largely dependent on the respective contact surfaces between the contact device and the two components to be contacted.
  • a small contact area between at least one component and the contact device leads to a high electrical and high thermal contact resistance.
  • this is made more difficult if one of the components to be contacted has an uneven surface or is present as an unbound material, such as a liquid electrolyte.
  • a known way of increasing the contact surface between the contact device and a component to be contacted is to design a contact device with an electrically conductive substrate and an electrically conductive and deformable contact means, with the substrate and the contact means being materially bonded and electrically conductive in a contact area are connected to each other.
  • the contact means is brought into contact with the component to be contacted.
  • the surface contour of the contact means adapts to the surface of the component to be contacted. Hereby the common contact area is maximized.
  • the contact means is typically permeable to substances, in particular porous. These properties are particularly advantageous if the contact means is used for contacting an electrolyte and for this purpose can be immersed in the electrolyte and/or it can flow through it.
  • the contact surface to be increased is not only formed by the outer surface of the contact means, but also to a significant extent by internal surfaces that are not visible from the outside of at least one intermediate space within the contact means. Such an intermediate space is usually formed as a pore or as a multiplicity of pores in the contact means.
  • the disadvantage of previously known contact devices is that the substrate has to be laboriously cleaned before the chemical adhesive is applied. This is necessary in order to ensure a high quality of the adhesive bond, especially with regard to the adhesion that can be achieved and its service life to be able to
  • adhesive bonds are subject to aging processes, which reduces their strength.
  • long curing times may be required before the components of the contact device to be joined are finally and sufficiently firmly connected to one another.
  • adhesive connections are associated with disadvantages when the contact means is exposed to a corrosive electrolyte. The adhesive connection must have good chemical resistance, but this can only be achieved with difficulty and at high cost.
  • the object on which the invention is based is therefore to provide a versatile contact device which permits good thermal and electrical contacting while at the same time being simple to manufacture.
  • the contact device comprises, in a manner known per se, an electrically conductive substrate and at least one electrically conductive and deformable, preferably material-permeable, contact means.
  • the substrate and the contact means are connected to one another in a materially bonded and electrically conductive manner in a contact area.
  • the substrate and the contact means are welded to one another in the contact area by means of a polymer material.
  • the contact means and the substrate of known contact devices each have good electrical and thermal conductivity.
  • this allows known way, a simple electrical and, if necessary, thermal contact of two technical components.
  • the good electrical conductivity of the components in particular can be used to produce a reliable connection between the substrate and the contact means in a simple manner.
  • the substrate and the contact means can be used to be connected by means of a welded joint by generating an electric current between the substrate and the contact means.
  • the polymer material arranged in the contact area preferably polyvinylidene fluoride (PVDF), at least partially brings about a local increase in the electrical contact resistance.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the increased electrical contact resistance causes heat to be generated in the contact area, which melts the polymer material.
  • the substrate and the contact means are connected to one another with a material bond and with high mechanical and corrosive resistance.
  • the polymer material has a physical setting effect in the contact area and thus differs from adhesives, which have a chemical setting effect. Consequently, the polymer material is not just an adhesive in which a crosslinking reaction must take place in order to generate the desired adhesive forces between the substrate and the contact means.
  • the invention is based on the finding that the polymer material, which basically has insulating properties, does not prevent the formation of a good electrical contact between the substrate and the contact means.
  • the total amount and/or the density of the polymer material in the contact area can be adjusted depending on the requirements for the connection between the substrate and the contact means. A larger amount of polymer material goes with positive effects for the mechanical Properties of the connection, while a smaller amount of poly mermaterial is associated with positive effects on the electrical conductivity.
  • a further finding on which the invention is based is that the heat generated during the welding process is spatially essentially limited to the contact area. This makes it possible, in particular, to construct the substrate as a thin-walled component which deforms only slightly as a result of the manufacturing process described above as a result of minor thermal influences. As a result, on the one hand, the advantages of a welded connection, in particular with regard to high strength and chemical resistance, are sufficient, while the usual disadvantages of welded connections, in particular with regard to thermally induced deformations, are completely avoided.
  • the invention is also based on the knowledge that, in contrast to known contact means, the contact means only has to be deformed slightly, but preferably not, for production reasons in order to produce the material connection.
  • a high contact pressure must usually be generated in the contact area between the contact means and the substrate.
  • the contact means is at least partially irreversibly deformed. This is particularly disadvantageous in the case of porous and/or permeable contact materials. Because the compression of the contact means deteriorates its geometric adaptability to a component to be contacted. If the component to be contacted is an electrolyte, an internal surface area of the contact means is also reduced and the flow resistance in the contact means increases.
  • the contact means is compressed by a maximum of 5% compared to an undeformed state before welding to the substrate.
  • the contact area is formed at least partially at points or in the form of a flat or curved surface between the contact means and the substrate. It is also within the scope of the invention that the contact area extends at least partially into the substrate and/or into the contact means, in particular if the liquefied polymer material penetrates into the substrate or the contact means during melting or even before melting in the Substrate or is contained in the contact agent.
  • the contact means comprises an electrically conductive textile material, preferably graphite felt.
  • the substrate preferably comprises a composite material with a polymer matrix in which a plurality of electrically conductive particles, in particular graphite particles, are bonded.
  • the electrically conductive textile material can in principle have any type of weave and can therefore be present, for example, as a woven or non-crimp fabric. Good electrical and, if necessary, thermal conductivity can be achieved if the threads or fibers or fiber bundles used in the textile material are designed to be electrically and thermally conductive. Investigations by the applicant have shown that graphite felt, in particular, is associated with particular advantages in the design of the contact means due to its good electrical and thermal conductivity. In addition, graphite felt is easy to handle and is particularly suitable as a joining partner when producing the welded joint according to the invention.
  • the substrate comprises a composite material with a polymer matrix and a second component which is not dissolved in the polymer matrix and is present in the form of the electrically conductive particles. Investigations by the applicant have shown that good electrical conductivity of the substrate can be achieved in spite of the electrically insulating properties of the polymer matrix if the density of the conductive particles, in particular graphite particles, is sufficiently high is.
  • the proportion of conductive particles in the polymer matrix preferably corresponds to 85% in order to achieve high conductivity.
  • the polymer matrix and the polymer material contain substances from the same group of substances, e.g. the group of thermoplastics.
  • the polymer material is at least partially contained in the polymer matrix.
  • the polymer matrix of the substrate has a quantity of the polymer material that is homogeneously distributed or concentrated in the contact area. During the production of the welded connection, the substrate is thus melted locally in the contact means and the material-to-material welded connection to the contact means is created.
  • One advantage associated with the development described above is that additional auxiliary materials required can be dispensed with entirely, as a result of which there is less overall handling effort in the production of the contact device.
  • an additional auxiliary can lead to an increased strength of the welded connection between the substrate and the contact means.
  • the polymer material is therefore at least partially present as an auxiliary substance which is arranged in the contact area between the substrate and the contact means.
  • the strength of the welded connection can be improved by the development described above.
  • the polymer material is contained in the substrate.
  • the polymeric material is not included in the substrate.
  • the applicant has found that the properties of the components of the contact device can be better optimized with regard to various requirements if the substrate does not have to be used for the design of the material connection due to its material. Instead they can
  • the substrate and the contact means can be optimized solely with regard to good electrical and, if necessary, thermal conductivity through a suitable choice of material, while the auxiliary material arranged in the contact area is optimized solely with regard to a low melting point and high strength. This enables the contact device to be manufactured easily while at the same time having good mechanical, electrical and thermal properties.
  • the contact area has at least two sub-areas, with a larger amount of polymer material being arranged in one of the sub-areas than in the other of the two sub-areas.
  • the polymer material located in the contact area does not necessarily have to be distributed homogeneously in the contact area, but can be distributed inhomogeneously to improve the mechanical, electrical and thermal properties. It is advantageous here that the density of the polymer material is reduced in those areas in which a low electrical contact resistance is advantageous, while the density of the polymer material is increased in those areas in which high mechanical strength and high corrosive resistance are advantageous is.
  • one of the partial areas is free of polymer material, with the contact means being directly electrically conductively connected to the substrate in the partial area which is free of polymer material.
  • the advantageous development described above makes it possible to provide a con structive separation of functions within the contact area, with one of the sub-areas alone being used to form the integral connection and the other of the sub-areas being used solely to form a good electrically conductive connection.
  • the sub-area in which the larger quantity of polymer material is arranged serves to create the material-locking welded connection, while the sub-area in which no polymer material is arranged serves to create the electrically conductive connection.
  • the partial areas each have a geometric shape which promotes the distribution of heat or current density in the plane of the contact device, in particular in the substrate.
  • the polymer material can be arranged in a regular pattern, for example in the form of stripes or concentric circles in the contact area.
  • the contact area is preferably divided into more than two partial areas.
  • the substrate itself has at least one area in which the polymer material is introduced and is therefore associated with good weldability.
  • the density of the particles in the area of the material connection is preferably lower than the density of the particles in the area in which the substrate is connected directly to the contact means for electrical contacting.
  • the substrate is materially and electrically conductively connected to a second contact means in a second contact area on a side facing away from the contact means, the substrate and the second contact means being welded to one another by means of a second polymer material.
  • the development of the contact device described above enables good electrical or, if necessary, thermal contact between two components, both of which have an uneven surface or are unbound, e.g. B. in the form of an electrolyte.
  • the two contact areas are spatially separated from one another.
  • the material-locking welded connection is produced between the substrate and the two contact means by arranging the substrate between the two contact means and melting the first and second polymer material between the substrate and the two contact means by means of an electric current.
  • the second polymer material at least partially has the same material composition as the first polymer material or differs from it.
  • the two welded joints are configured identically or differently. It is advantageous if the substrate consists at least partially of polymer material on one side, which is melted close to the surface in order to create the material connection between the substrate and one contact medium, while an auxiliary material is applied to the other side, which is the second Contains polymer material, and is also melted to produce the material connection between the substrate and the other contact means.
  • an electrochemical cell according to the invention.
  • this has a cell space, an ion-permeable cell membrane and an electrode.
  • the cell space is delimited on at least one side by the cell membrane and the electrode is arranged in the cell space.
  • the electrode is designed at least partially as a contact device according to the invention or an advantageous development thereof.
  • the substrate is arranged essentially parallel to the cell membrane.
  • the contact means is arranged between the substrate and the cell membrane and at least partially fills the cell space.
  • the contact device described above is particularly well suited for use as an electrode for contacting an electrolyte in an electrochemical cell.
  • the contact device according to the invention has a high level of corrosive resistance due to the welded connection between the electrically conductive substrate and the electrically conductive contact means. At the same time, the connection is associated with high strength without compressing the contact means during production must. In particular, it is advantageous to design the contact means to be material-permeable. Because with a low compression of the contact medium, the flow resistance within the contact medium is reduced and the contact surface for the electrolyte to be contacted is maximized.
  • a cell frame element is arranged between the cell membrane and the substrate, with the cell frame element delimiting the contact means at the edge.
  • the arrangement of the cell frame element described above makes it possible to ensure, even during assembly of the electrochemical cell, that the contact means is not excessively compressed, in particular by no more than 5% compared to an undeformed state before welding to the substrate.
  • the components of the electrochemical cell can be layered in a manner known per se, so that no additional measures have to be taken to mechanically protect the contact means.
  • the substrate is electrically contacted with a current collector on a side facing away from the contact means.
  • the contact device is used on the one hand for making electrical contact with the electrolyte in the electrochemical cell and on the other hand for making electrical contact with the current collector. It is advantageous here if the substrate and the current collector each have a smooth surface on which they rest against one another. However, it is also within the scope of the advantageous development that the substrate and the current collector have mutually corresponding contact means, which serve to reduce the electrical contact resistance and/or to mutually align the substrate and the current collector during assembly.
  • the substrate of the contact device is welded on two sides, each with a contact means.
  • the one contact medium is turned into the cell space of the electrochemical cell's in the manner already explained, while the other contact means is turned into a cell space of an adjacent electrochemical cell.
  • the substrate is designed as a bipolar plate.
  • the contact device can be used to spatially separate the cell spaces of two adjacent electrochemical cells from one another and at the same time to contact the electrolytes in the cell spaces with a large contact area and high corrosive resistance.
  • the substrate serves as a bipolar plate, according to the above description, which allows a charge carrier flow between the separate electrolytes, but without allowing the electrolytes to mix.
  • the substrate has at least one depression on a side facing the cell space, which is delimited by at least one web and the contact area between the substrate and the contact means is formed at least partially on the web.
  • the indentation arranged at least on one side preferably serves to guide a material flow introduced into the electrochemical cell. This is particularly advantageous when said flow of material flows through the cell space of the electrochemical cell.
  • the depression is preferably designed in a meandering manner on a side of the substrate facing the contact means.
  • the substrate has a plurality of depressions.
  • the web serves to limit the depression.
  • the surface of the web serves to form at least part of the contact area between the substrate and the contact means.
  • the contact means is preferably designed to be flat, and its basic shape essentially corresponds to the basic shape of the substrate.
  • the geometry of the contact means does not have to be adapted to the course of the recess or the position of the web. Rather, the contact means and the substrate can be arranged flat against each other during the production of the contact device and only in the areas of the webs and only where the polymer material is arranged, materially connected to each other.
  • the means of contact is not located in the recess but only on the surface of the ridge. This reduces the flow resistance in the recess.
  • the electrochemical cell is configured as a redox flow cell and an electrolyte, preferably an electrolyte containing vanadium, can flow through the cell chamber.
  • a redox flow cell is usually part of a redox flow system, which includes two electrolyte tanks, each with a pump device.
  • Electrolytes are stored in the electrolyte tanks and are pumped through one of at least two cell chambers of the redox flow cell by means of their respective pump device.
  • the cell spaces are separated from each other by the ion-permeable membrane.
  • contact devices which include an electrically conductive and material-permeable contact means and an electrically conductive substrate.
  • the components of any known contact devices are not welded together. Rather, the contact means and the substrate are glued together in the manner already described or pressed by means of the housing components of the redox flow cell and are thereby compressed by 20%-30% compared to an undeformed state.
  • an electrolyte can only flow through the contact medium under high pressure. Due to the configuration of the electrode according to the invention, the electrolyte can thus be conveyed into the cell space with the same volume flow and at a lower pressure than in redox flow cells with conventional contact devices and heavily deformed contact means.
  • the design of the electrode as a contact device according to the invention distinguishes the redox flow cell according to the invention from previously known redox flow cells.
  • the use of the contact device, in which the substrate and the contact means are welded together, allows the overall efficiency in the operation of a redox flow cell to be increased significantly, since the contact means is not or only slightly compressed and the required pump capacity due to the low Flow resistance can be dimensioned accordingly small.
  • the manufacture of the redox flow cell is simplified since the components of the contact device are firmly connected to one another by means of the polymer material, so that only a few handling and assembly steps are required to assemble the redox flow cell.
  • the welded connection is associated with high mechanical stability for the contact device. This significantly reduces the number of individual components to be assembled in the stack construction with the same stack size.
  • the welded connection between the contact means and the electrolyte is also advantageous if an electrolyte containing vanadium can flow through the redox flow half-cell.
  • an electrolyte is highly corrosive, so that the advantages of the welded connection of a contact device according to the invention cannot be achieved by a known adhesive bond between the contact means and the substrate.
  • a particular advantage results for the design of redox flow cells if the contact means is designed as a graphite felt and the substrate is designed as a composite material with a polymer matrix and a plurality of graphite particles bound therein.
  • a composite component designed in this way has good electrical conductivity, so that, in particular in comparison to known redox flow cells, no strong compression is necessary to reduce the contact resistance.
  • the high porosity and permeability of the felt are retained. This improves the flow properties of the electrolyte and its distribution in the electrochemical cell and thus also the provision of the reaction components for the redox reactions for charging and discharging the cell. In particular, the improves Flow through the felt and leads to a reduction in the required pumping capacity.
  • the electrochemical cell is configured as a fuel cell, with a fluid containing a fuel, in particular hydrogen, or an oxidizing agent, in particular oxygen, being able to flow through the cell space.
  • the electrochemical cell alone is not suitable for use as a redox flow cell. Rather, it is within the scope of the invention that the electrochemical cell is designed as a fuel cell, wherein the cell space, according to the above description, with a fluid containing the fuel or the oxidizing agent can flow through.
  • the fuel and the oxidizing agent can each be present in a liquid or in a gaseous state of aggregation.
  • the design of a fuel cell differs fundamentally from the structure of a redox flow cell.
  • the electrodes of known fuel cells are configured almost identically to the electrodes of known redox flow cells.
  • a contact device according to the invention as an electrode of a fuel cell, essentially the same advantages can be achieved as with a redox flow cell.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a cell stack according to the invention.
  • the cell stack according to the invention comprises at least two electrochemical cells which are electrically connected in series. At least one of the electrochemical cells is designed in accordance with the electrochemical cell according to the invention or an advantageous development thereof.
  • the above-described arrangement of at least two electrochemical cells makes it possible to increase the electrical voltage, which is generated by just one electrochemical cell, as needed and directly depending on the number of cells connected in series.
  • cell stacks also: cell stacks
  • the repetition unit relevant to the stack which in the prior art consists of one layer consists of the contact means, the substrate and optionally another contact means to reduce component to a single and permanently connected Verbundkompo. Since all the individual components are usually stacked on top of each other during the assembly of the stack and only then finally fixed and sealed by an external frictional connection, e.g. by joining housing components, a reduction in the number of individual components simplifies the manufacturing process, lowers the error rate and simplifies things the quality assurance.
  • the invention also relates to a method for producing a contact device.
  • a method step A at least one electrically conductive and deformable, preferably material-permeable, contact means and an electrically conductive substrate are provided;
  • the substrate and the contact means are layered to form a common contact region, with a polymer material contained in the substrate and/or an auxiliary substance containing the polymer material being arranged in the contact region;
  • a method step C an electric current is generated between the substrate and the contact means in the contact area and the polymer material is melted in order to weld the substrate and the contact means.
  • the method described above is preferably used to produce the contact device according to the invention or to produce an advantageous development of the contact device, an electrochemical cell or a cell stack.
  • the substrate provided in method step A) contains the polymer material, preferably in an edge region which is used for the later configuration of the contact region.
  • the polymer material can be applied at least partially to the substrate and/or to the contact means in the form of an auxiliary substance.
  • the substrate and the contact means are layered in such a way that the common contact area is formed, in which the polymer material is arranged. The layering is done manually and/or automatically.
  • a current with an adjustable and/or controllable current intensity is generated by means of a current source, the current flowing between the substrate and the contact.
  • a current source the current flowing between the substrate and the contact.
  • heat develops, which causes the polymer material in the contact area to melt within a short time.
  • the current density and duration of the welding process are preferably selected depending on the materials to be joined, in particular the substrate and the contact means, and/or their dimensions and geometries and/or the total number of components to be joined.
  • the excipient in method step B) is at least partially present as a powder and/or as a film.
  • auxiliary is in the form of a powder
  • a spatial density distribution of the polymer in the contact area between the substrate and the contact means can be gradually adjusted in a simple manner. This has a beneficial effect on the integral connection and the electrically conductive connection between the substrate and the contact means.
  • the auxiliary substance is designed as a film, a uniform density distribution of the polymer material can be set as required.
  • the film has openings through which the even distribution of density is interrupted. This is particularly advantageous when the substrate is designed as a bipolar plate with at least one depression and one web.
  • the position or the contour of the opening in the film is adapted to the position and/or the geometry of the depression or the web and is arranged during the production of the contact device according to the position of the depression or the web on the substrate.
  • the material connection is only in the area of a bridge created.
  • the recess remains free of any polymer material.
  • the fluid conduction by means of the recess which is advantageous for an electrochemical cell, thus remains unimpaired.
  • the contact means is electrically contacted by means of a welding electrode and compressed by at most 5% compared to an uncompressed volume.
  • the welding electrodes are brought into contact with the substrate and the contact means by applying a small force, e.g. corresponding to a maximum compression of the graphite felt by 5% compared to an undeformed state.
  • the current generated between the electrodes is conducted perpendicularly to the contact area through the substrate and the contact means.
  • the contact resistance leads to a local development of heat, as a result of which the polymer material is liquefied.
  • the substrate is melted only slightly, preferably not at all. In this way, a surface-to-material connection of the boundary surfaces of the individual components, which are not accessible from the outside, to the composite component is made possible.
  • an electrically insulating welding frame is arranged on an edge region of the contact means, so that in method step C) the welding electrode rests at least partially on the welding frame.
  • the welding frame makes it possible to easily avoid excessive compression of the contact means during the welding process, in order to form the contact device with a high degree of geometric adaptability of the contact means and low flow resistance.
  • an electrical resistance in the contact area is determined in method step C) and the electrical current is regulated as a function of the determined resistance in the contact area.
  • the applicant has found that both the productivity of the method according to the invention and the quality of the contact devices produced are improved if the amperage of the electrical current between the substrate and the contact means is regulated as a function of the electrical, preferably ohmic, resistance in the contact area will.
  • the voltage between the substrate and the contact means is measured during the welding process, preferably via a respective measuring contact on the welding electrodes. The measured voltage is used together with the set current to determine the electrical resistance. According to a finding of the applicant, the ohmic resistance in particular is reduced during the welding process.
  • the current can be reduced or interrupted in order to end the welding process. Additionally or alternatively, the current intensity can be controlled depending on an adjustable time period. In particular, the time required for carrying out the welding process in process step C) is at most 10 seconds.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a contact device according to the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a device for producing the contact device
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a redox flow cell stack with the contact device
  • FIG. 4 shows a diagram in which the energy efficiency of a redox flow cell with the contact device as a function of a number of operating cycles and a Degree of compression of the contact means is shown in comparison to non-joined individual components.
  • Figure 1 shows an exemplary embodiment of a contact device 1 according to the invention with an electrically conductive substrate 2, which is designed flat and is connected in two contact areas by means of a polymer material 4 or
  • the substrate 2 shown in FIG. 1 consists of a composite material with a polymer matrix and a plurality of electrically conductive graphite particles which are bound in the polymer matrix.
  • the contact means 3, 3' each consist of an electrically conductive, deformable and material-permeable graphite felt.
  • the contact device 1 is suitable for connecting two technical components (not shown) in an electrically conductive manner and, if there is no need for electrical insulation, in a thermally conductive manner.
  • the deformability of the contact means 3, 3' makes it possible to also contact unevenly designed components with a large contact surface, in that the geometries of the contact means 3, 3' adapt to the contours of the respective components to be contacted. This maximizes the common contact area, which reduces the electrical and thermal contact resistance between the contact device 1 and the contacted component.
  • the contact means 3,3' have a height of 40 mm, a width of 60 mm and a thickness of 4.6 mm.
  • the polymer material 4,4' is polyvinylidene fluoride (PVDF), which was applied to the contact means as a powder in an amount of 3.7 mg per contact means before the material connection was created.
  • the sub strate 2 has a height of 76 mm, a width of 86 mm and a thickness of 0.6 mm.
  • the contact means 3, 3′ are each deformed by a maximum of 5% compared to an undeformed state. Since the spaces between the individual graphite fibers present in the graphite felt are only slightly compressed, the contact means 3, 3' each have a good permeability. This is expressed in a low flow resistance when the contact means 3,3' are each flowed through with a fluid. At the same time, the integral connection between the substrate 2 and the contact means 3, 3' has a high level of strength and high corrosive resistance. The latter is particularly advantageous if the contact device 1 is used for making electrical contact with an electrolyte in an electrochemical cell.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a welding device 5, which is used to produce the contact device 1 shown in FIG.
  • the substrate 2 and the two contact means 3, 3' are first homogeneously coated with a powder containing the polymer material in a manner not shown here.
  • the substrate 2 and the contact means 3 and 3' are then layered, thereby forming two contact areas in which the previously applied polymer material is located.
  • the contact means 3 and 3' are each electrically contacted by means of a welding electrode 6 or 6'.
  • the contact means 3, 3' are each only compressed by a maximum of 5% compared to an undeformed state. This is achieved by arranging an electrically insulating welding frame (not shown here) at the edge of one of the contact means 3 and/or 3'. During the subsequent welding process, the welding electrodes 6, 6' rest at least partially on the respective welding frame, so that the deformation of the contact means 3, 3' is limited by the welding frame and depends on its dimensions.
  • the power supply unit 7 is used to generate a current flow between the two welding electrodes 6 and 6' and thus also through the layer made up of the contact means 3, 3' and the substrate 2 located between the contact means 3, 3'.
  • the contact device 1 In the contact areas between the substrate 2 and the two contact means 3, 3', the contact device 1 has an increased electrical contact resistance in each case. As a result of the increased electrical contact resistance, heat is generated during the current flow, which leads to causes the polymer material in the contact areas to melt.
  • the power supply unit 7 is designed to measure the electrical voltage between the electrodes.
  • a control unit on which software 8 is stored uses the measured electrical voltage together with the set amperage of the current generated (here: 85 A) to determine the falling contact resistance. If the determined resistance falls below a stored minimum value, the current strength of the current is reduced by the power pack 7 and the welding process ends. The electrodes 6, 6' are then removed and the contact device 1 is removed from the welding device 5.
  • the advantage of the welding method described above is that, on the one hand, a material connection with high strength is produced between the substrate 2 and the contact means 3 and 3' and the contact means 3, 3' are only slightly deformed in the process. Since the contact means are made of graphite felt, a contact device 1 made in this way is particularly well suited for use as an electrode in a redox flow cell.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a cell stack 9 in which a plurality of redox flow cells 10, only one of which is provided with reference symbols, are electrically connected in series.
  • the redox flow cells 10 each have two cell chambers 11 and 12 which are separated from one another by an ion-permeable membrane 13 .
  • An electrode is also arranged in each of the cell spaces 11 and 11 , 12 .
  • the electrodes of those redox flow cells which are arranged adjacent to two other redox flow cells are designed in an identical manner as a contact device 1 according to FIG.
  • the substrate 2 serves as a bipolar plate, while one of the contact means (contact means 3 according to Figure 3) is directed into the cell space 12 of the redox flow cell 10 and the respective other contact means (contact means 3' according to Figure 3) is directed into the cell space of a neighboring redox flow cell.
  • the electrodes of those redox flow cells which are arranged at the edge in the cell stack 9 also include a bipolar plate serving substrate, which is only one side ver welded with a contact means. On the side facing away from the contact means, the substrate is contacted with a current collector 14 or 15 .
  • the cell chambers 11 and 12 of the redox flow cell 10 are each connected to one of two electrolyte tanks (not shown).
  • a pump device (not shown) serves to convey the respective electrolyte into one of the cell spaces 11 or 12 in which an electrochemical reaction takes place.
  • ions are released from one of the electrolytes and pass through the ion-permeable membrane from cell space 12 into cell space 11 (or vice versa) and are absorbed there by the other of the two electrolytes.
  • elec trons are also released from the electrolyte, which emits the ions in the cell space 12 , and pass through the contact means 3 into the substrate 2 and from there through the entire cell stack 9 to the current collector 14 .
  • the current generated can be made usable.
  • the components of the cell stack 9 shown in FIG. 3 are housed by housing components (not shown).
  • cell frame elements only one of which is provided with reference number 16, serve to limit deformation of the contact means 3, 3' to a maximum of 5%.
  • good material permeability can be achieved for the contact means 3, 3' even in the assembled state.
  • the positive influences of good material permeability and the welded connection between the substrates and the contact means can be seen from the diagram shown in FIG.
  • FIG. 4 shows a diagram 17 in which the energy efficiency of three different cell stacks is shown as a function of a number of charging and discharging cycles.
  • the curve 18 shown in the diagram 17 describes the energy efficiency of a cell stack with a structure according to FIG. 3, which was charged and discharged over a number of 100 cycles with a current density of 80 mA.
  • the redox flow cells of said cell stack have at least one Contact device, the substrate and at least one contact means are welded by means of a polymer material and the contact means is compressed only slightly and by no more than 5%.
  • the curve 19 shown in the diagram describes the energy efficiency of a cell stack which includes a plurality of conventionally designed redox flow cells. These also have at least one contact device with a substrate and a contact means, which is compressed by a maximum of 5%, but the substrate and the contact means are only pressed by means of the housing components, so that there is no material-to-material welded connection.
  • the curve 20 shown in the diagram describes the energy efficiency of a cell stack, which also includes a plurality of conventionally configured redox flow cells, but whose contact means are compressed by 20%.
  • the material-to-material welded connection and the low compression of the contact means in the cell stack lead to a high overall energy efficiency of the cell stack (cf. curve 18).
  • the energy efficiency tends to be higher than the energy efficiency of a cell stack whose contact means are joined in a conventional manner simply by pressing the housing components used, which causes them to be compressed by 20% (cf. curve 20), and is significantly higher than that Energy efficiency of such a conventional cell stack whose contacts have been compressed by 5% (cf. curve 19).

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Kontaktvorrichtung (1) umfassend ein elektrisch leitfähiges Substrat (2) sowie mindestens ein elektrisch leitfähiges und verformbares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel (3, 3'), wobei das Substrat (2) und das Kontaktmittel (3, 3') in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Das Substrat (2) und das Kontaktmittel (3,3') sind dabei in dem Kontaktbereich mittels eines Polymermaterials (4, 4') miteinander verschweißt. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung der Kontaktvorrichtung vorgeschlagen. Ferner wird eine elektrochemische Zelle sowie ein elektrochemischer Zellenstapel vorgeschlagen, welche jeweils die Kontaktvorrichtung umfassen.

Description

Kontaktvorrichtung, Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvorrichtung, elektro chemische Zelle sowie elektrochemischer Zellenstapel
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kontaktvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung ei ner Kontaktvorrichtung, eine elektrochemische Zelle sowie einen elektrochemi schen Zellenstapel.
Kontaktvorrichtungen dienen zur elektrischen sowie bedarfsweise zur thermi schen Kontaktierung mindestens zweier technischer Komponenten. Hierfür ist die Kontaktvorrichtung üblicherweise flächig ausgestaltet und wird zwischen die zwei zu kontaktierenden Komponenten gebracht, sodass ein beiderseitiger Kon takt zu den besagten Komponenten entsteht.
Zur elektrischen Kontaktierung weist die Kontaktvorrichtung eine hohe elektri sche Leitfähigkeit auf. Sofern zwischen den beiden elektrisch zu kontaktieren den Komponenten eine elektrische Spannung anliegt, führt die Anordnung der Kontaktvorrichtung zwischen den Komponenten zu einem Stromfluss durch die Kontaktvorrichtung.
Sofern kein Erfordernis nach einer elektrischen Isolation zwischen zwei ther misch zu verbindenden Komponenten besteht, kann die vorstehend beschrie bene Kontaktvorrichtung auch zur thermischen Kontaktierung der Komponenten genutzt werden. Dabei stellt eine der Komponenten, z.B. ein Elektronikbauteil, eine Wärmequelle dar, während die andere der beiden Komponenten, z.B. ein Kühlelement, eine Wärmesenke darstellt.
Sowohl bei der elektrischen als auch bei der thermischen Kontaktierung ist die Stromleitung bzw. die Wärmeleitung maßgeblich von den jeweiligen Kontaktflä chen zwischen der Kontaktvorrichtung und den beiden zu kontaktierenden Kom ponenten abhängig. Eine geringe Kontaktfläche zwischen mindestens einer Komponente und der Kontaktvorrichtung führt zu einem hohen elektrischen so wie zu einem hohen thermischen Kontaktwiderstand. Um den Kontaktwiderstand zur Erreichung einer guten elektrischen sowie thermischen Leitfähigkeit zu sen ken, ist es daher grundsätzlich erwünscht, die Kontaktfläche zwischen der Kon taktvorrichtung und mindestens einer der zu kontaktierenden Komponenten zu maximieren. Dies ist jedoch erschwert, wenn eine der zu kontaktierenden Kom ponenten eine unebene Oberfläche aufweist oder etwa als ungebundener Werk stoff, etwa als flüssiger Elektrolyt, vorliegt.
Eine bekannte Möglichkeit, die Kontaktfläche zwischen der Kontaktvorrichtung und einer zu kontaktierenden Komponente zu erhöhen, stellt die Ausgestaltung einer Kontaktvorrichtung mit einem elektrisch leitfähigen Substrat sowie einem elektrisch leitfähigen und verformbaren Kontaktmittel dar, wobei das Substrat und das Kontaktmittel in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leit fähig miteinander verbunden sind.
Als Substrat kommen beispielweise metallische Bleche oder elektrisch leitfähige Kunststoffe zum Einsatz, welche mittels eines chemischen Klebemittels mit dem Kontaktmittel, z.B. Stahlwolle, verbunden werden. Zur elektrischen oder zur thermischen Kontaktierung wird das Kontaktmittel in Berührung mit der zu kon taktierenden Komponente gebracht. Dabei passt sich die Oberflächenkontur des Kontaktmittels an die Oberfläche der zu kontaktierenden Komponente an. Hier durch wird die gemeinsame Kontaktfläche maximiert.
Typischerweise ist das Kontaktmittel stoffdurchlässig, insbesondere porös aus gestaltet. Diese Eigenschaften sind insbesondere vorteilhaft, wenn das Kontakt mittel zur Kontaktierung eines Elektrolyten dient und hierzu in den Elektrolyten getaucht und/oder von diesem durchströmt werden kann. Die zu erhöhende Kontaktfläche wird dabei nicht nur durch die äußerliche Oberfläche des Kontakt mittels gebildet, sondern zu einem wesentlichen Teil auch durch innenliegende, von außen nicht sichtbare Oberflächen mindestens eines Zwischenraums inner halb des Kontaktmittels. Üblicherweise ist ein solcher Zwischenraum als eine Pore oder als eine Vielzahl von Poren in dem Kontaktmittel ausgebildet.
Der Nachteil vorbekannter Kontaktvorrichtungen besteht darin, dass das Sub strat vor dem Auftrag des chemischen Klebemittels aufwendig gereinigt werden muss. Dies ist erforderlich, um eine hohe Qualität der Klebeverbindung, vor al lem hinsichtlich der erreichbaren Haftung und ihrer Lebensdauer, sicherstellen zu können. Darüber hinaus sind Klebeverbindungen Alterungsprozessen unter worfen, wodurch sich ihre Festigkeit verringert. Zudem können, je nach Art des Klebemittels, lange Aushärtezeiten erforderlich sein, bis die zu fügenden Be standteile der Kontaktvorrichtung endgültig und hinreichend fest miteinander verbunden sind. Ferner gehen Klebeverbindungen mit Nachteilen einher, wenn das Kontaktmittel einem korrosiven Elektrolyten ausgesetzt ist. Dabei muss die Klebeverbindung eine gute, jedoch nur schwer und nur unter hohen Kosten er reichbare, chemische Beständigkeit aufweisen.
Insgesamt sind bekannte Kontaktvorrichtungen aufwendig und unwirtschaftlich in der Herstellung und sind in ihren Einsatzmöglichkeiten begrenzt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine vielseitig einsetzbare Kontaktvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine gute thermi sche und elektrische Kontaktierung bei gleichzeitig einfacher Herstellbarkeit er laubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 1 , eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 8, einen elektrochemischen Zellensta pel gemäß Anspruch 15, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvor richtung gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung umfasst in an sich bekannter Weise ein elektrisch leitfähiges Substrat sowie mindestens ein elektrisch leitfähiges und verformbares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel. Das Substrat und das Kontaktmittel sind in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig miteinander verbunden.
Wesentlich ist, dass das Substrat und das Kontaktmittel in dem Kontaktbereich mittels eines Polymermaterials miteinander verschweißt sind.
Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist, dass das Kontaktmittel so wie das Substrat bekannter Kontaktvorrichtungen jeweils eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Einerseits erlaubt diese in an sich be- kannter Weise eine einfache elektrische und bedarfsweise thermische Kontak tierung zweier technischer Komponenten. Andererseits kann insbesondere die gute elektrische Leitfähigkeit der Komponenten dazu genutzt werden, auf einfa che Weise eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kon taktmittel herzustellen.
Insbesondere können das Substrat und das Kontaktmittel dazu genutzt werden, mittels einer Schweißverbindung verbunden zu werden, indem ein elektrischer Strom zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel erzeugt wird. Das in dem Kontaktbereich angeordnete Polymermaterial, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), bewirkt zumindest teilweise eine lokale Erhöhung des elektrischen Kon taktwiderstandes. Bei Erzeugung des Stromflusses bewirkt der erhöhte elektri sche Kontaktwiderstand eine Wärmeentwicklung in dem Kontaktbereich, durch welche das Polymermaterial aufgeschmolzen wird. Dabei werden das Substrat und das Kontaktmittel stoffschlüssig und mit hoher mechanischer und korrosiver Beständigkeit miteinander verbunden.
Zur Erzeugung der Schweißverbindung wird folglich eine physikalische Zustand sänderung zumindest des Polymermaterials oder der dem Kontaktmittel zuge wandten Oberfläche des Substrats herbeigeführt, wodurch die beiden genannten Fügepartner in dem Kontaktbereich miteinander verbunden werden. Das Poly mermaterial weist dabei eine physikalisch abbindende Wirkung in dem Kontakt bereich auf, und unterscheidet sich somit von Klebstoffen, welche eine che misch abbindende Wirkung haben. Es handelt sich bei dem Polymermaterial folglich nicht lediglich um Klebstoff, in welchem eine Vernetzungsreaktion statt finden muss, um die gewünschten Haftkräfte zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Polymermaterial, welches grundsätzlich isolierende Eigenschaften hat, der Ausgestaltung eines guten elektrischen Kontakts zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel nicht ent gegensteht. Es ist jedoch eine weitere Erkenntnis, dass die Gesamtmenge und/oder die Dichte des Polymermaterials in dem Kontaktbereich in Abhängig keit davon eingestellt werden kann, welche Anforderungen an die Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel bestehen. Eine größere Menge an Polymermaterial geht dabei mit positiven Auswirkungen für die mechanischen Eigenschaften der Verbindung einher, während eine geringere Menge an Poly mermaterial mit positiven Auswirkungen für die elektrische Leitfähigkeit einher geht.
Eine weitere erfindungsbegründende Erkenntnis ist, dass die Wärmeentwicklung während des Schweißvorganges sich räumlich im Wesentlichen auf den Kontakt bereich beschränkt. Dies ermöglicht es insbesondere, das Substrat als dünn wandige Komponente auszubilden, welche sich durch den vorstehend beschrie benen Herstellprozess infolge geringer thermischer Einflüsse nur geringfügig verformt. Dadurch werden einerseits die Vorteile einer Schweißverbindung, ins besondere hinsichtlich hoher Festigkeit sowie chemischer Beständigkeit, er reicht, während die üblichen Nachteile von Schweißverbindungen, insbesondere hinsichtlich thermisch bedingter Verformungen, vollständig umgangen werden.
Die Erfindung ist weiterhin in der Erkenntnis begründet, dass das Kontaktmittel zur Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung im Gegensatz zu bekannten Kontaktmitteln nur geringfügig, vorzugsweise jedoch nicht, herstellungsbedingt verformt werden muss. Üblicherweise muss zur Schaffung einer bekannten stoff schlüssigen Verbindung, insbesondere einer Klebeverbindung, zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat ein hoher Anpressdruck in dem Kontaktbereich erzeugt werden. Hierbei wird das Kontaktmittel zumindest teilweise irreversibel verformt. Dies ist insbesondere bei porösen und/oder stoffdurchlässigen Kon taktmitteln nachteilig. Denn durch die Kompression des Kontaktmittels ver schlechtert sich seine geometrische Anpassungsfähigkeit an eine zu kontaktie rende Komponente. Sofern die zu kontaktierende Komponente ein Elektrolyt ist, verringert sich auch eine innenliegende Oberfläche des Kontaktmittels und der Strömungswiderstand in dem Kontaktmittel steigt.
Durch die Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel können die vorstehend genannten Nachteile allesamt behoben werden. Denn die besagte Schweißverbindung erlaubt eine insgesamt bessere Anbindung des Kontaktmittels an das Substrat, sodass nahezu kein Anpress druck in dem Kontaktbereich erforderlich ist und die Nachteile, die mit der Ver formung des Kontaktmittels einhergehen, nicht erst entstehen können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kontaktvorrichtung ist das Kontaktmittel gegen über einem unverformten Zustand vor dem Verschweißen mit Substrat um maxi mal 5% komprimiert.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Kontaktbereich zumindest teilweise punktuell oder in Gestalt einer ebenen oder gekrümmten Fläche zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat ausgebildet ist. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, dass der Kontaktbereich sich zumindest teilweise in das Substrat und/oder in das Kontaktmittel erstreckt, insbesondere wenn das verflüssigte Po lymermaterial während des Aufschmelzens in das Substrat oder das Kontaktmit tel eindringt oder etwa bereits vor dem Schmelzen in dem Substrat oder in dem Kontaktmittel enthalten ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Kontaktmittel ein elektrisch leit fähiges Textilmaterial, vorzugsweise Grafitfilz. Ferner umfasst das Substrat be vorzugt ein Verbundmaterial mit einer Polymermatrix, in welcher eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Partikel, insbesondere Graphitpartikel, gebunden sind.
Das elektrisch leitfähige Textilmaterial kann grundsätzlich einen beliebigen Bin dungstyp aufweisen und somit beispielsweise als Gewebe oder Gelege vorlie gen. Eine gute elektrische sowie bedarfsweise thermische Leitfähigkeit lässt sich erreichen, indem die in dem Textilmaterial verwendeten Fäden oder Fasern oder Faserbündel elektrisch und thermisch leitfähig ausgebildet sind. Untersu chungen der Anmelderin haben gezeigt, dass insbesondere Graphitfilz aufgrund seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit mit besonderen Vortei len bei der Ausgestaltung des Kontaktmittels einhergeht. Darüber hinaus weist Graphitfilz eine gute Handhabbarkeit auf und eignet sich in besonderem Maße als Fügepartner bei der Erzeugung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung.
Das Substrat umfasst ein Verbundmaterial mit einer Polymermatrix sowie einer, in der Polymermatrix nicht gelösten, zweiten Komponente, welche in Gestalt der elektrisch leitfähigen Partikel vorliegt. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass eine gute elektrische Leitfähigkeit des Substrats trotz elektrisch isolierender Eigenschaften der Polymermatrix erreicht werden kann, wenn die Dichte der leitfähigen Partikel, insbesondere Graphitpartikel, hinreichend hoch ist. Bevorzugt entspricht der Anteil der leitfähigen Partikel in der Polymermatrix 85%, um eine hohe Leitfähigkeit zu erzielen.
Um eine besonders hohe Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zu errei chen, weisen die Polymermatrix und das Polymermaterial Stoffe aus derselben Stoffgruppe auf, z.B. der Stoffgruppe der Thermoplasten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Polymermaterial zumindest teilweise in der Polymermatrix enthalten.
Gemäß vorstehend beschriebener Weiterbildung weist die Polymermatrix des Substrats eine homogen verteilte oder eine in dem Kontaktbereich konzentrierte Menge des Polymermaterials auf. Während der Erzeugung der Schweißverbin dung wird somit das Substrat in dem Kontaktmittel lokal aufgeschmolzen und die stoffschlüssige Schweißverbindung zu dem Kontaktmittel geschaffen. Ein Vor teil, der mit der vorstehend beschriebenen Weiterbildung einhergeht, ist, dass gänzlich auf zusätzlich erforderliche Hilfsstoffe verzichtet werden kann, wodurch in der Herstellung der Kontaktvorrichtung insgesamt weniger Handhabungsauf wand entsteht.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verwendung eines zusätzlichen Hilfsstoffes zu einer erhöhten Festigkeit der Schweißverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel führen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung liegt das Polymermaterial daher zumindest teilweise als ein Hilfsstoff vor, welcher in dem Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel angeordnet ist.
Durch die vorstehend beschriebene Weiterbildung lässt sich die Festigkeit der Schweißverbindung, wie oben beschrieben, verbessern. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Polymermaterial in dem Substrat enthalten ist. Vorzugsweise ist das Polymermaterial nicht in dem Substrat enthalten. Vielmehr ist es eine Erkenntnis der Anmelderin, dass sich die Eigenschaften der Bestand teile der Kontaktvorrichtung hinsichtlich verschiedener Anforderungen besser optimieren lassen, wenn das Substrat durch sein Material nicht zur Ausgestal tung der stoffschlüssigen Verbindung dienen muss. Stattdessen können das Substrat sowie das Kontaktmittel durch eine geeignete Materialwahl alleine in Hinblick auf eine gute elektrische und bedarfsweise thermische Leitfähigkeit hin optimiert sein, während der in dem Kontaktbereich angeordnete Hilfsstoff alleine in Hinblick auf einen niedrigen Schmelzpunkt sowie eine hohe Festigkeit hin op timiert ist. Dadurch wird eine einfache Herstellung der Kontaktvorrichtung bei gleichzeitig guten mechanischen, elektrischen sowie thermischen Eigenschaften ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Kontaktbereich mindestens zwei Teilbereiche auf, wobei in einem der Teilbereiche eine größere Menge an Poly mermaterial angeordnet ist als in dem anderen der beiden Teilbereiche.
Untersuchungen der Anmelderin zeigten weiterhin, dass das in dem Kontaktbe reich befindliche Polymermaterial nicht notwendigerweise homogen in dem Kon taktbereich verteilt werden muss, sondern zur Verbesserung der mechanischen sowie der elektrischen und thermischen Eigenschaften inhomogen verteilt sein kann. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Dichte des Polymermaterials in denjeni gen Bereichen reduziert ist, in denen ein geringer elektrischer Kontaktwider stand von Vorteil ist, während die Dichte des Polymermaterials in denjenigen Bereichen erhöht ist, in denen eine hohe mechanische Festigkeit sowie hohe korrosive Beständigkeit vorteilhaft ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist einer der Teilbereiche frei von Polymer material, wobei das Kontaktmittel in dem Teilbereich, welcher frei von Polymer material ist, unmittelbar elektrisch leitfähig mit dem Substrat verbunden ist.
Die vorstehend beschriebene vorteilhafte Weiterbildung erlaubt es, eine kon struktive Funktionstrennung innerhalb des Kontaktbereiches vorzusehen, wobei der eine der Teilbereiche alleine zur Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbin dung und der andere der Teilbereiche alleine zur Ausgestaltung einer guten elektrisch leitenden Verbindung dient. Der Teilbereich, in welchem die größere Menge an Polymermaterial angeordnet ist, dient zur Schaffung der stoffschlüssi gen Schweißverbindung, während der Teilbereich, in welchem kein Polymerma terial angeordnet ist, zur Schaffung der elektrisch leitenden Verbindung dient. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass die Teilbereiche je weils eine geometrische Form haben, welche die Wärme- oder Stromdichtever teilung in der Ebene der Kontaktvorrichtung, insbesondere im Substrat, begüns tigt. So kann das Polymermaterial in einem regelmäßigen Muster, z.B. in Form von Streifen oder konzentrischen Kreisen in dem Kontaktbereich angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Kontaktbereich in mehr als zwei Teilbereiche unter teilt.
Es liegt ferner im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, das Substrat in Ab hängigkeit der Anzahl und/oder Geometrie und/oder der Lage der Teilbereiche auszubilden. Hierbei weist das Substrat selbst mindestens einen Bereich auf, in dem das Polymermaterial eingebracht ist und daher mit einer guten Schweißbar keit einhergeht. Bei der vorteilhaften Ausführungsform, bei der das Substrat als Verbundmaterial aus einer Polymermatrix mit darin gebundenen leitfähigen Par tikeln ausgestaltet ist, ist die Dichte der Partikel in dem Bereich der stoffschlüs sigen Verbindung vorzugswese geringer, als die Dichte der Partikel in demjeni gen Bereich, in dem das Substrat zur elektrischen Kontaktierung unmittelbar mit dem Kontaktmittel verbunden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Substrat auf einer dem Kontaktmittel abgewandten Seite in einem zweiten Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig mit einem zweiten Kontaktmittel verbunden, wobei das Sub strat und das zweite Kontaktmittel mittels eines zweiten Polymermaterials mitei nander verschweißt sind.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung der Kontaktvorrichtung ermöglicht eine gute elektrische oder bedarfsweise thermische Kontaktierung zweier Kom ponenten, welche beide eine unebene Oberfläche aufweisen oder ungebunden, z. B. in Gestalt eines Elektrolyten vorliegen. Die zwei Kontaktbereiche sind räumlich voneinander getrennt. Die Erzeugung der stoffschlüssigen Schweißver bindung erfolgt zwischen dem Substrat und den beiden Kontaktmitteln, indem das Substrat zwischen den beiden Kontaktmitteln angeordnet wird und das je weils zwischen dem Substrat den beiden Kontaktmitteln angeordnete erste und zweite Polymermaterial mittels eines elektrischen Stromes aufgeschmolzen wird. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass das zweite Polymer material zumindest teilweise die gleiche Stoffzusammensetzung aufweist wie das erste Polymermaterial, oder sich von diesem unterscheidet.
Es liegt ferner im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass die beiden Schweißverbindungen identisch oder jedoch unterschiedlich ausgestaltet sind. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat an einer Seite zumindest teilweise aus Polymermaterial besteht, welches oberflächennah aufgeschmolzen wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und dem einem Kontakt mittel zu erzeugen, während auf der anderen Seite ein Hilfsstoff aufgetragen ist, welcher das zweite Polymermaterial enthält, und ebenfalls aufgeschmolzen wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und dem anderen Kontaktmittel zu erzeugen.
Die eingangs genannte Aufgabe ist weiterhin durch eine erfindungsgemäße, elektrochemische Zelle gelöst. Diese weist in an sich bekannter Weise einen Zellraum, eine ionendurchlässige Zellmembran und eine Elektrode auf. Der Zell raum ist dabei zu mindestens einer Seite durch die Zellmembran begrenzt und die Elektrode ist in dem Zellraum angeordnet.
Es ist wesentlich für die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle, dass die Elektrode zumindest teilweise als erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung oder eine vorteilhafte Weiterbildung davon ausgestaltet ist. Das Substrat ist im We sentlichen parallel zu der Zellmembran angeordnet. Das Kontaktmittel ist zwi schen dem Substrat und der Zellmembran angeordnet und füllt den Zellraum zu mindest teilweise aus.
Es ist eine erfindungswesentliche Erkenntnis, dass die oben beschriebene Kon taktvorrichtung eine besonders gute Eignung für einen Einsatz als Elektrode zur Kontaktierung eines Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle aufweist.
Denn gegenüber bereits bekannten Kontaktvorrichtungen weist die erfindungs gemäße Kontaktvorrichtung aufgrund der Schweißverbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat und dem elektrisch leitfähigen Kontaktmittel eine hohe korrosive Beständigkeit auf. Gleichzeitig geht die Verbindung mit einer ho hen Festigkeit einher ohne das Kontaktmittel in der Herstellung komprimieren zu müssen. Insbesondere ist es vorteilhaft das Kontaktmittel stoffdurchlässig aus zubilden. Denn bei einer geringen Komprimierung des Kontaktmittels, verringert sich der Strömungswiderstand innerhalb des Kontaktmittels und die Kontaktflä che für den zu kontaktierenden Elektrolyten wird maximiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Zellrahmenelement zwischen der Zell membran und dem Substrat angeordnet, wobei das Zellrahmenelement das Kon taktmittel randseitig begrenzt.
Die vorstehend beschriebene Anordnung des Zellrahmenelements ermöglicht es, auch bei der Montage der elektrochemischen Zelle sicherzustellen, dass das Kontaktmittel nicht übermäßig, insbesondere um nicht mehr als 5% gegenüber einem unverformten Zustand vor dem Verschweißen mit dem Substrat kompri miert wird. Gleichzeitig können die Komponenten der elektrochemischen Zelle in an sich bekannter Weise geschichtet werden, sodass keine zusätzlichen Maß nahmen vorgesehen werden müssen, um das Kontaktmittel mechanisch zu schonen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrochemischen Zelle ist das Substrat auf einer dem Kontaktmittel abgewandten Seite mit einem Stromsammler elektrisch kontaktiert.
Gemäß vorstehend beschriebener Weiterbildung dient die Kontaktvorrichtung ei nerseits zur elektrischen Kontaktierung des Elektrolyten in der elektrochemi schen Zelle und andererseits zur elektrischen Kontaktierung des Stromsamm lers. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat sowie der Stromsammler je weils eine glatte Oberfläche aufweisen, an denen sie aneinander anliegen. Es liegt jedoch auch im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass das Substrat und der Stromsammler zueinander korrespondierende Kontaktmittel aufweisen, welche zur Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes und/oder zur ge genseitigen Ausrichtung des Substrats und des Stromsammlers während der Montage dienen.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist das Substrat der Kontaktvorrich tung zweiseitig mit jeweils einem Kontaktmittel verschweißt. Das eine Kontakt- mittel ist dabei in bereits erläuterter Weise in den Zellraum der elektrochemi schen Zelle gewandt, während das andere Kontaktmittel in einen Zellraum einer benachbarten elektrochemischen Zelle gewandt ist. Das Substrat ist hierbei als Bipolarplatte ausgestaltet.
Die vorstehend beschriebene Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass die Kon taktvorrichtung dazu genutzt werden kann, die Zellräume zweier benachbarter elektrochemischer Zellen räumlich voneinander zu trennen und gleichzeitig die in den Zellräumen befindlichen Elektrolyten mit einer großen Kontaktfläche und hoher korrosiver Beständigkeit zu kontaktieren. Dabei dient das Substrat, ent sprechend vorstehender Beschreibung als Bipolarplatte, welche einen Ladungs trägerfluss zwischen den getrennten Elektrolyten ermöglicht, ohne jedoch eine Vermengung der Elektrolyte zuzulassen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Substrat auf einer dem Zellraum zugewandten Seite mindestens eine Vertiefung auf, welche durch mindestens einen Steg begrenzt ist und der Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel zumindest teilweise auf dem Steg ausgebildet ist.
Die zumindest einseitig angeordnete Vertiefung dient vorzugsweise dazu, einen in die elektrochemische Zelle eingebrachten Stoffstrom zu leiten. Dies ist insbe sondere vorteilhaft, wenn der besagte Stoffstrom den Zellraum der elektroche mischen Zelle durchströmt. Die Vertiefung ist vorzugsweise mäanderartig auf ei ner dem Kontaktmittel zugewandten Seite des Substrats ausgestaltet. Vorzugs weise weist das Substrat mehrere Vertiefungen auf.
Der Steg dient zur Begrenzung der Vertiefung. Die Oberfläche des Steges dient zur Ausgestaltung zumindest eines Teils des Kontaktbereichs zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel. Das Kontaktmittel ist vorzugsweise flächig aus gestaltet, und entspricht in seiner Grundform im Wesentlichen der Grundform des Substrats. Dabei muss die Geometrie des Kontaktmittels nicht an den Ver lauf der Vertiefung oder etwa der Lage des Steges angepasst sein. Vielmehr können das Kontaktmittel und das Substrat während der Herstellung der Kon taktvorrichtung flächig aneinander angeordnet und lediglich in den Bereichen der Stege und nur dort, wo das Polymermaterial angeordnet ist, stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist das Kontaktmittel jedoch nicht in der Vertiefung angeordnet, sondern nur an der Oberfläche des Steges. Dadurch ist der Strömungswiderstand in der Vertiefung reduziert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrochemische Zelle als Redox- Flow-Zelle ausgestaltet und der Zellraum mit einem Elektrolyten, vorzugweise einem Vanadium enthaltenden Elektrolyten, durchströmbar.
Eine Redox-Flow-Zelle ist üblicherweise ein Bestandteil eines Redox-Flow-Sys- tems, welches zwei Elektrolyttanks mit jeweils einer Pumpvorrichtung umfasst.
In den Elektrolyttanks sind Elektrolyten gespeichert, welche mittels ihrer jeweili gen Pumpvorrichtung durch jeweils einen von mindestens zwei Zellräumen der Redox-Flow-Zelle gefördert werden. Die Zellräume sind dabei durch die ionen permeable Membran voneinander getrennt.
Bei der Durchströmung mit dem Elektrolyten findet in den Zellräumen eine elekt rochemische Reaktion statt, wobei aus dem einen Elektrolyten, welcher einen der Zellräume durchströmt, Ionen sowie Elektronen gelöst werden. Die Ionen gelangen durch die ionenpermeable Membran in den anderen Zellraum der Re- dox-Flow-Zelle, während die Elektronen über das Kontaktmittel in die Kontakt vorrichtung gelangen und über eine mittelbare oder unmittelbare elektrische Kontaktierung als elektrischer Strom nutzbar gemacht werden.
In vorbekannten Redox-Flow-Zellen werden Kontaktvorrichtungen eingesetzt, welche ein elektrisch leitfähiges und stoffdurchlässiges Kontaktmittel sowie ein elektrisch leitfähiges Substrat umfassen. Allerdings sind die Komponenten be kannter Kontaktvorrichtungen nicht miteinander verschweißt. Vielmehr werden das Kontaktmittel und das Substrat in bereits beschriebener Weise miteinander verklebt oder mittels der Gehäusekomponenten der Redox-Flow-Zelle verpresst und dabei gegenüber einem unverformten Zustand um 20%-30% komprimiert. Dadurch ist das Kontaktmittel nur unter hohem Druck mit einem Elektrolyten durchströmbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode kann der Elektrolyt somit im Vergleich zu Redox-Flow-Zellen mit konventionellen Kon taktvorrichtungen und stark verformten Kontaktmitteln bei gleichem Volumen strom mit geringerem Druck in den Zellraum gefördert werden. Die Ausgestaltung der Elektrode als erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung un terscheidet die erfindungsgemäße Redox-Flow-Zelle von vorbekannten Redox- Flow-Zellen. Der Einsatz der Kontaktvorrichtung, bei der das Substrat und das Kontaktmittel miteinander verschweißt sind, erlaubt es, die Gesamteffizienz im Betrieb einer Redox-Flow-Zelle deutlich zu steigern, da das Kontaktmittel nicht oder nur geringfügig komprimiert ist und die erforderliche Pumpenleistung auf grund des geringen Strömungswiderstandes entsprechend gering dimensioniert sein kann.
Ferner ist die Herstellung der Redox-Flow-Zelle vereinfacht, da die Komponen ten der Kontaktvorrichtung mittels des Polymermaterials fest miteinander ver bunden sind, sodass nur wenige Handhabungs- und Montageschritte erforder lich sind, um die Redox-Flow-Zelle zu montieren. Ferner geht die Schweißver bindung mit einer hohen mechanischen Stabilität für die Kontaktvorrichtung ein her. Dies reduziert signifikant die Anzahl der im Stackbau zu montierenden Ein zelkomponenten bei gleicher Stackgröße.
Die Schweißverbindung zwischen dem Kontaktmittel und dem Elektrolyten ist ferner vorteilhaft, wenn die Redox-Flow-Halbzelle von einem Vanadium enthal tenden Elektrolyten durchströmbar ist. Ein derartiger Elektrolyt ist stark korrosiv, sodass die Vorteile der Schweißverbindung einer erfindungsgemäßen Kontakt vorrichtung nicht durch eine bekannte Verklebung zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat erreichbar sind.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich für die Ausgestaltung von Redox-Flow-Zellen, wenn das Kontaktmittel als Graphitfilz ausgestaltet ist und das Substrat als Ver bundmaterial mit einer Polymermatrix und einer Mehrzahl darin gebundener Graphitpartikel ausgestaltet ist. Ein derart ausgestaltetes Verbundbauteil weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, so dass insbesondere im Vergleich zu bekannten Redox-Flow-Zellen keine starke Kompression zur Senkung des Kon taktwiderstands notwendig ist. Gleichzeitig bleibt die hohe Porosität und Stoffdurchlässigkeit des Filzes erhalten. Dies verbessert die Strömungseigen schaften des Elektrolyten und seine Verteilung in der elektrochemischen Zelle und damit auch die Bereitstellung der Reaktionskomponenten für die Redoxre aktionen zum Laden und Entladen der Zelle. Insbesondere verbessert sich die Durchströmbarkeit des Filzes und führt zu einer Reduktion der erforderlichen Pumpleistung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrochemische Zelle als Brenn stoffzelle ausgestaltet, wobei der Zellraum mit einem Fluid, welches einen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, oder ein Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, enthält, durchströmbar ist.
Es ist eine weitere Erkenntnis der Anmelderin, dass die elektrochemische Zelle nicht alleine für den Einsatz als Redox-Flow-Zelle geeignet ist. Vielmehr liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die elektrochemische Zelle als Brennstoffzelle ausgestaltet ist, wobei der Zellraum, entsprechend obiger Beschreibung, mit ei nem Fluid, welches den Brennstoff oder das Oxidationsmittel enthält, durch strömbar ist. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel können jeweils in einem flüssigem oder in einem gasförmigen Aggregatzustand vorliegen.
Zwar unterscheidet sich die Bauweise einer Brennstoffzelle grundsätzlich von der Struktur einer Redox-Flow-Zelle. Allerdings sind insbesondere die Elektro den bekannter Brennstoffzellen nahezu identisch zu den Elektroden bekannter Redox-Flow-Zellen ausgestaltet. Somit können durch den Einsatz einer erfin dungsgemäßen Kontaktvorrichtung als Elektrode einer Brennstoffzelle im We sentlichen die gleichen Vorteile erreicht werden, wie bei einer Redox-Flow-Zelle.
Die eingangs genannte Aufgabe ist weiterhin durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel gelöst. Der erfindungsgemäße Zellenstapel umfasst mindestens zwei elektrochemischen Zellen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Da bei ist zumindest eine der elektrochemischen Zellen gemäß der erfindungsge mäßen elektrochemischen Zelle oder einer vorteilhaften Weiterbildung davon ausgestaltet.
Durch die vorstehend beschriebene Anordnung mindestens zweier elektrochemi scher Zellen, lässt sich die elektrische Spannung, welche durch lediglich eine elektrochemische Zelle erzeugt wird, bedarfsweise und in unmittelbarer Abhän gigkeit von der Anzahl in Reihe geschalteter Zellen vergrößern. Gegenüber vor bekannten Zellenstapeln (auch: Zellenstacks) ist es möglich, die für den Stack bau relevante Repetitionseinheit, welche im Stand der Technik aus einer Schicht aus dem Kontaktmittel, dem Substrat sowie gegebenenfalls einem weiteren Kon taktmittel besteht, zu einer einzigen und dauerhaft verbundenen Verbundkompo nente zu reduzieren. Da während der Montage des Stacks üblicherweise zu nächst alle Einzelkomponenten aufeinandergestapelt werden und erst abschlie ßend durch einen äußeren Kraftschluss, z.B. durch Fügen von Gehäusekompo nenten, final fixiert und abgedichtet werden, vereinfacht eine Verringerung der Anzahl der Einzelkomponenten den Herstellungsprozess, senkt die Fehlerquote und vereinfacht die Qualitätssicherung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvorrich tung. Dabei werden in einem Verfahrensschritt A) mindestens ein elektrisch leit fähiges und verformbares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel, so wie ein elektrisch leitfähiges Substrat bereitgestellt;
In einem Verfahrensschritt B) wird das Substrat und das Kontaktmittel zur Aus bildung eines gemeinsamen Kontaktbereichs geschichtet, wobei ein in dem Sub strat enthaltenes Polymermaterial und/oder ein Hilfsstoff, welcher das Polymer material enthält, in dem Kontaktbereich angeordnet ist;
In einem Verfahrensschritt C) wird ein elektrischer Strom zwischen dem Sub strat und dem Kontaktmittel in dem Kontaktbereich erzeugt und das Polymerma terial aufgeschmolzen, um das Substrat und das Kontaktmittel zu verschweißen.
Vorzugsweise dient das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung oder zur Herstellung einer vorteilhaften Weiterbildung der Kontaktvorrichtung, einer elektrochemischen Zelle oder eines Zellenstapels.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das in Verfah rensschritt A) bereitgestellte Substrat das Polymermaterial, vorzugsweise in ei nem Randbereich, welcher zu späteren Ausgestaltung des Kontaktbereichs dient. Zusätzlich oder alternativ kann das Polymermaterial zumindest teilweise in Gestalt eines Hilfsstoffes auf das Substrat und/oder auf das Kontaktmittel auf getragen werden. In Verfahrensschritt B) werden das Substrat und das Kontaktmittel derart ge schichtet, sodass der gemeinsame Kontaktbereich entsteht, in welchem das Po lymermaterial angeordnet ist. Die Schichtung erfolgt manuell und/oder automati siert.
Daraufhin wird in Verfahrensschritt C) mittels einer Stromquelle ein Strom mit einer einstellbaren und/oder regelbaren Stromstärke erzeugt, wobei der Strom zwischen dem Substrat und dem Kontakt fließt. Infolge eines hohen Kontaktwi derstandes zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel entwickelt sich Wärme, welche ein Aufschmelzen des Polymermaterials in dem Kontaktbereich innerhalb kurzer Zeit bewirkt. Die Stromdichte und Dauer des Schweißprozesses werden hierbei vorzugsweise von den zu fügenden Materialien, insbesondere dem Substrat und dem Kontaktmittel, und/oder deren Abmessungen und Geo metrien und/der von der Gesamtanzahl zu fügender Komponenten abhängig ge wählt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens liegt der Hilfsstoff in Verfah rensschritt B) zumindest teilweise als Pulver und/oder als Folie vor.
Bei einer Ausgestaltung des Hilfsstoffes als ein Pulver lässt sich eine räumliche Dichteverteilung des Polymers in dem Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel auf einfache Weise graduell einstellen. Dies wirkt sich begünstigend auf die stoffschlüssige Verbindung sowie die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel aus.
Bei einer Ausgestaltung des Hilfsstoffes als eine Folie lässt sich bedarfswese eine gleichmäßige Dichteverteilung des Polymermaterials einstellen. Bedarfs weise weist die Folie Öffnungen auf, durch welche die gleichmäßige Dichtever teilung unterbrochen ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sub strat als eine Bipolarplatte mit mindestens einer Vertiefung und einem Steg aus gestaltet ist. Dabei ist die Position oder die Kontur der Öffnung in der Folie an die Position und/oder die Geometrie der Vertiefung bzw. des Steges angepasst und wird während der Herstellung der Kontaktvorrichtung entsprechend der Lage der Vertiefung oder des Steges an dem Substrat angeordnet. Während des Schweißens wird die stoffschlüssige Verbindung somit nur in dem Bereich eines Steges geschaffen. Die Vertiefung bleibt hingegen frei von jeglichem Polymer material. Die für eine elektrochemische Zelle vorteilhafte Fluidleitung mittels der Vertiefung bleibt somit unbeeinträchtigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Kontaktmittel vor dem Verfahrensschritt C) mittels einer Schweißelektrode elektrisch kontaktiert und gegenüber einem unkomprimierten Volumen um höchstens 5% komprimiert.
Die Schweißelektroden werden unter Aufbringung einer geringen Kraft, z.B. ent sprechend einer maximalen Kompression des Graphitfilzes um 5% gegenüber einem unverformten Zustand mit dem Substrat und dem Kontaktmittel in Verbin dung gebracht. Der zwischen den Elektroden erzeugte Strom wird senkrecht zum Kontaktbereich durch das Substrat und das Kontaktmittel geleitet. Durch den Kontaktwiderstand kommt es, in bereits erläuterter Weise, zu einer lokalen Wärmeentwicklung, wodurch das Polymermaterial verflüssigt wird. Vorzugs weise wird das Substrat hierbei nur geringfügig, vorzugsweise überhaupt nicht, aufgeschmolzen. Auf diese Weise wird eine flächige, stoffschlüssige Verbindung der von außen nicht zugänglichen Grenzflächen der einzelnen Bauteile hin zur Verbundkomponente ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor Verfahrensschritt C) ein elektrisch isolierender Schweißrahmen an einem Randbereich des Kontakt mittels angeordnet, sodass in Verfahrensschritt C) die Schweißelektrode zumin dest teilweise auf dem Schweißrahmen aufliegt.
Der Schweißrahmen ermöglicht es, während des Schweißprozesses, eine über mäßige Kompression des Kontaktmittels auf einfache Weise zu vermeiden, um die Kontaktvorrichtung mit einer hohen geometrischen Anpassungsfähigkeit des Kontaktmittels sowie einem geringen Strömungswiderstand auszubilden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in Verfahrensschritt C) ein elektrischer Widerstand in dem Kontaktbereich ermittelt und der elektrische Strom in Abhängigkeit des ermittelten Widerstandes in dem Kontaktbereich ge regelt. Es ist eine Erkenntnis der Anmelderin, dass sowohl die Produktivität des erfin dungsgemäßen Verfahrens als auch die Qualität der hergestellten Kontaktvor richtungen verbessert werden, wenn die Stromstärke des elektrischen Stromes zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel in Abhängigkeit des elektrischen, vorzugsweise ohmschen Widerstandes in dem Kontaktbereich geregelt wird. In einer vorteilhaft einfachen Ausführungsform wird dabei während des Schweiß vorganges die Spannung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel, vor zugsweise über jeweils einen Messkontakt an den Schweißelektroden gemes sen. Die gemessene Spannung wird gemeinsam mit der eingestellten Strom stärke dazu verwendet, den elektrischen Widerstand zu ermitteln. Gemäß einer Erkenntnis der Anmelderin, verringert sich insbesondere der ohmsche Wider stand während des Schweißvorganges. Sobald der ermittelte elektrische Wider stand einen zuvor festgelegten Mindestwert unterschreitet, kann der Strom redu ziert oder unterbrochen werden, um den Schweißprozess zu beenden. Zusätz lich oder alternativ ist die Stromstärke in Abhängigkeit einer einstellbaren Zeit dauer steuerbar. Insbesondere beträgt die Zeitdauer für die Durchführung des Schweißverfahrens in dem Verfahrensschritt C) höchstens 10 Sekunden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den nachfolgend beschriebenen Fi guren anhand von Ausführungsbeispielen gezeigt.
Es zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstel lung der Kontaktvorrichtung;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Zellensta- pels mit der Kontaktvorrichtung;
Figur 4 ein Diagramm, in welchem die Energieeffizienz einer Redox-Flow-Zelle mit der Kontaktvorrichtung in Ab hängigkeit von einer Betriebszyklenzahl und einem Kompressionsgrad des Kontaktmittels im Vergleich zu nicht gefügten Einzelkomponenten dargestellt ist.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktvorrich tung 1 mit einem elektrisch leitfähigen Substrat 2, welches flächig ausgestaltet ist und in zwei Kontaktbereichen jeweils mittels eines Polymermaterials 4 bzw.
4‘ mit einem Kontaktmittel 3 bzw. 3‘ stoffschlüssig verschweißt ist.
Das gemäß Figur 1 gezeigte Substrat 2 besteht aus einem Verbundmaterial mit einer Polymermatrix sowie einer Mehrzahl elektrisch leitfähiger Graphitpartikel, welche in der Polymermatrix gebunden sind. Die Kontaktmittel 3, 3‘ bestehen je weils aus einem elektrisch leitfähigen, verformbaren und stoffdurchlässigen Gra phitfilz.
Die Kontaktvorrichtung 1 ist dazu geeignet, zwei technische Komponenten (nicht gezeigt) elektrisch leitfähig, und sofern kein Erfordernis nach elektrischer Isola tion besteht, thermisch leitfähig zu verbinden. Die Verformbarkeit der Kontakt mittel 3, 3‘ ermöglicht es, auch uneben ausgestaltete Komponenten mit einer großen Kontaktfläche zu kontaktieren, indem sich die Geometrien der Kontakt mittel 3, 3‘ an die Konturen der jeweiligen zu kontaktierenden Komponenten an passen. Dadurch wird die gemeinsame Kontaktfläche maximiert, wodurch sich der elektrische sowie der thermische Kontaktwiderstand zwischen der Kontakt vorrichtung 1 und der kontaktierten Komponente verringert.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Kontaktmittel 3,3‘ eine Höhe von 40 mm, eine Breite von 60 mm sowie eine Dicke von 4,6 mm auf. Bei dem Polymermaterial 4,4‘ handelt es sich um Polyvinylidenfluorid (PVDF), welches vor der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung als Pulver in einer Menge von 3,7 mg je Kontaktmittel auf die Kontaktmittel aufgetragen wurde. Das Sub strat 2 weist eine Höhe von 76 mm, eine Breite von 86 mm sowie eine Dicke von 0,6 mm auf.
Die Kontaktmittel 3, 3‘ sind in dem gemäß Figur 1 gezeigten Zustand jeweils ge genüber einem unverformten Zustand um maximal 5% verformt. Da die in dem Graphitfilz vorhandenen Zwischenräume zwischen einzelnen Graphitfasern nur geringfügig komprimiert sind, weisen die Kontaktmittel 3, 3‘ jeweils eine gute Stoffdurchlässigkeit auf. Diese äußert sich in einem geringen Strömungswider stand, wenn die Kontaktmittel 3,3‘ jeweils mit einem Fluid durchströmt sind. Gleichzeitig weist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat 2 und den Kontaktmitteln 3, 3‘ eine hohe Festigkeit sowie hohe korrosive Beständig keit auf. Letztere ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Kontaktvorrichtung 1 zur elektrischen Kontaktierung eines Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle verwendet wird.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung 5, welche zur Herstellung der in Figur 1 gezeigten Kontaktvorrichtung 1 dient. Zur Herstellung der Kontaktvorrichtung 1 wird das Substrat 2 sowie die zwei Kontaktmittel 3, 3‘ zunächst, in hier nicht gezeigter Weise, homogen mit einem Pulver, welches das Polymermaterial enthält, beschichtet.
Anschließend werden das Substrat 2 sowie die Kontaktmittel 3 und 3‘ geschich tet und dadurch zwei Kontaktbereiche ausgestaltet, in denen sich das zuvor auf getragene Polymermaterial befindet. Die Kontaktmittel 3 und 3‘ werden jeweils mittels einer Schweißelektrode 6 bzw. 6’ elektrisch kontaktiert. Dabei werden die Kontaktmittel 3, 3‘ jeweils gegenüber einem unverformten Zustand nur um maximal 5% komprimiert. Dies wird erreicht, indem ein elektrisch isolierender Schweißrahmen (hier nicht gezeigt) randseitig an jeweils einem der Kontaktmit tel 3 und/oder 3‘ angeordnet wird. Während des sich anschließenden Schweiß vorganges liegen die Schweißelektroden 6, 6‘ jeweils zumindest teilweise auf dem jeweiligen Schweißrahmen auf, sodass die Verformung der Kontaktmittel 3, 3‘ durch den Schweißrahmen begrenzt ist und von seinen Abmessungen abhän gig ist.
Mittels des Netzgerätes 7 wird ein Stromfluss zwischen den beiden Schwei ßelektroden 6 und 6‘ und somit auch durch die Schicht aus den Kontaktmitteln 3, 3‘ und dem zwischen den Kontaktmitteln 3, 3‘ befindlichen Substrat 2 erzeugt.
In den Kontaktbereichen zwischen dem Substrat 2 und den beiden Kontaktmit teln 3, 3‘ weist die Kontaktvorrichtung 1 jeweils einen erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand auf. Infolge des erhöhten elektrischen Kontaktwiderstandes findet während des Stromflusses eine Wärmeentwicklung statt, welche dazu führt, dass das in den Kontaktbereichen befindliche Polymermaterial auf schmilzt.
Während des Aufschmelzens des Polymermaterials sinken die elektrischen Wi derstände in den Kontaktbereichen. Das Netzgerät 7 ist dazu ausgestaltet, die elektrische Spannung zwischen den Elektroden zu messen. Eine Regeleinheit, auf welcher eine Software 8 gespeichert ist, nutzt die gemessene elektrische Spannung zusammen mit der eingestellten Stromstärke des erzeugten Stromes (hier: 85 A) zur Ermittlung des abfallenden Kontaktwiderstandes. Unterschreitet der ermittelte Widerstand einen gespeicherten Mindestwert, wird die Strom stärke des Stromes durch das Netzteil 7 reduziert und der Schweißvorgang be endet. Anschließend werden die Elektroden 6, 6‘ entfernt und die Kontaktvor richtung 1 aus der Schweißvorrichtung 5 entnommen.
Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Schweißverfahrens besteht darin, dass einerseits eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Festigkeit zwischen dem Substrat 2 und den Kontaktmitteln 3 und 3‘ erzeugt wird und die Kontakt mittel 3, 3‘ dabei nur geringfügig verformt werden. Da die Kontaktmittel aus Gra phitfilz hergestellt sind, weist eine derart hergestellte Kontaktvorrichtung 1 eine besonders gute Eignung für den Einsatz als Elektrode in einer Redox-Flow-Zelle auf.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zellenstapels 9, bei dem eine Mehr zahl an Redox-Flow-Zellen 10, von denen nur eine mit Bezugszeichen versehen ist, elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Redox-Flow-Zellen 10 weisen jeweils zwei Zellräume 11 und 12 auf, welche durch eine ionendurchlässige Membran 13 voneinander gentrennt sind. In den Zellräumen und 11 , 12 ist ferner jeweils eine Elektrode angeordnet. Die Elektroden derjenigen Redox-Flow-Zellen, wel che zu zwei anderen Redox-Flow-Zellen benachbart angeordnet sind, sind in identischer Weise als Kontaktvorrichtung 1 gemäß Figur 1 ausgestaltet. Bei ei ner solchen Kontaktvorrichtung dient das Substrat 2 als Bipolarplatte, während eines der Kontaktmittel (Kontaktmittel 3 gemäß Figur 3) in den Zellraum 12 der Redox-Flow-Zelle 10 gerichtet ist und das jeweils andere Kontaktmittel (Kontakt mittel 3‘ gemäß Figur 3) in den Zellraum einer benachbarten Redox-Flow-Zelle gerichtet ist. Die Elektroden derjenigen Redox-Flow-Zellen, welche randseitig in dem Zellenstapel 9 angeordnet sind, umfassen ebenfalls ein als Bipolarplatte dienendes Substrat, welches jedoch nur einseitig mit einem Kontaktmittel ver schweißt ist. Auf der dem Kontaktmittel abgewandten Seite ist das Substrat mit einem Stromsammler 14 oder 15 kontaktiert.
Die Zellräume 11 und 12 der Redox-Flow-Zelle 10 sind jeweils mit einem von zwei Elektrolyttanks (nicht gezeigt) verbunden. Eine Pumpenvorrichtung (nicht gezeigt) dient dazu, das jeweilige Elektrolyt in einen der Zellräume 11 oder 12 zu fördern, in denen eine elektrochemische Reaktion von statten geht. Bei ei nem hier beispielhaft beschriebenen Entladevorgang werden aus einem der Elektrolyten Ionen gelöst, welche durch die ionendurchlässige Membran aus dem Zellraum 12 in den Zellraum 11 (oder umgekehrt) gelangen und dort von dem anderen der beiden Elektrolyten aufgenommen werden. Zeitgleich werden aus dem Elektrolyten, welcher die Ionen in dem Zellraum 12 abgibt, auch Elekt ronen gelöst, welche durch das Kontaktmittel 3 in das Substrat 2 und von dort durch den gesamten Zellenstapel 9 zu dem Stromsammler 14 gelangen. Durch elektrische Kontaktierung der Stromsammler 14 und 15 lässt sich der erzeugte Strom nutzbar machen.
Während der Montage des Zellenstapels 9 werden die in Figur 3 gezeigten Be standteile des Zellenstapels 9 durch Gehäusekomponenten (nicht gezeigt) ein gehaust. Dabei dienen Zellrahmenelemente, von denen nur eines mit dem Be zugszeichen 16 versehen ist, dazu, eine Verformung der Kontaktmittel 3, 3‘ auf maximal 5% zu beschränken. Dadurch lässt sich für die Kontaktmittel 3, 3‘ auch im montierten Zustand eine gute Stoffdurchlässigkeit erreichen. Die positiven Einflüsse der guten Stoffdurchlässigkeit sowie der Schweißverbindung zwischen den Substraten und den Kontaktmitteln lässt sich aus dem Diagramm, welches in Figur 4 gezeigt ist, entnehmen.
Figur 4 zeigt ein Diagramm 17, in welchem die Energieeffizienz dreier unter schiedlicher Zellenstapel in Abhängigkeit einer Anzahl an Lade-/ und Ent ladezyklen dargestellt ist.
Die in dem Diagramm 17 gezeigte Kurve 18 beschreibt die Energieeffizienz ei nes Zellenstapels mit einem Aufbau gemäß Figur 3, welcher über eine Anzahl von 100 Zyklen mit einer Stromdichte von 80mA geladen und entladen wurde. Die Redox-Flow-Zellen des besagten Zellenstapels weisen mindestens eine Kontaktvorrichtung auf, deren Substrat und mindestens ein Kontaktmittel mittels eines Polymermaterials verschweißt sind und das Kontaktmittel nur geringfügig und um nicht mehr als 5% komprimiert ist. Die in dem Diagramm gezeigte Kurve 19 beschreibt die Energieeffizienz eines Zellenstapels, welcher eine Mehrzahl an konventionell ausgestaltete Redox- Flow-Zellen umfasst. Diese weisen ebenfalls mindestens eine Kontaktvorrich tung mit einem Substrat und einem Kontaktmittel auf, welches um maximal 5% komprimiert ist, allerdings sind das Substrat und das Kontaktmittel lediglich mit- tels der Gehäusekomponenten verpresst, sodass keine stoffschlüssige Schweiß verbindung vorliegt.
Die in dem Diagramm gezeigte Kurve 20 beschreibt die Energieeffizienz eines Zellenstapels, welcher ebenfalls eine Mehrzahl an konventionell ausgestaltete Redox-Flow-Zellen umfasst, deren Kontaktmittel jedoch um 20% komprimiert sind.
Wie in Diagramm 17 gezeigt ist, führt die stoffschlüssige Schweißverbindung so wie die geringe Kompression der Kontaktmittel in dem Zellenstapel insgesamt zu einer hohen Energieeffizienz des Zellenstapels (vgl. Kurve 18). Insbesondere ist die Energieeffizienz tendenziell höher als die Energieeffizient eines Zellen stapels, dessen Kontaktmittel in konventioneller Weise lediglich durch Anpres sen der verwendeten Gehäusekomponenten gefügt sind, wodurch deren Kom pression um 20% (vgl. Kurve 20) bedingt wird, und deutlich höher ist als die Energieeffizienz eines solchen konventionellen Zellenstapels, dessen Kontakt mittel um 5% komprimiert wurden (vgl. Kurve 19).

Claims

Ansprüche
1. Kontaktvorrichtung (1) umfassend ein elektrisch leitfähiges Substrat (2) sowie mindestens ein elektrisch leitfähiges und verformbares, vorzugsweise stoff durchlässiges, Kontaktmittel (3,3‘), wobei das Substrat (2) und das Kontaktmittel (3,3‘) in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und das Kontaktmittel (3,3‘) in dem Kontaktbereich mittels ei nes Polymermaterials (4,4‘) miteinander verschweißt sind.
2. Kontaktvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmittel (3, 3‘) ein elektrisch leitfähiges Textilmaterial, vorzugsweise Graphitfilz, umfasst und das Substrat (2) ein Verbundmaterial mit einer Mehr zahl von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere Graphit, und einer Poly mermatrix umfasst, in welcher die leitfähigen Partikel gebunden sind.
3. Kontaktvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (4,4‘) zumindest teilweise in der Polymermatrix enthalten ist.
4. Kontaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial (4,4‘) zumindest teilweise als ein Hilfsstoff vorliegt, welcher in dem Kontaktbereich zwischen dem Substrat (2) und dem Kontaktmittel (3,3‘) angeordnet ist.
5. Kontaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich mindestens zwei Teilbereiche aufweist, wobei in einem der Teilbereiche eine größere Menge an Polymermaterial (4,4‘) angeordnet ist als in dem anderen der beiden Teilbereiche.
6. Kontaktvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Teilbereiche frei von Polymermaterial (4,4‘) ist, wobei das Kontaktmit tel (3, 3‘) in dem Teilbereich, welcher frei von Polymermaterial (4,4‘) ist, unmit telbar elektrisch leitfähig mit dem Substrat (2) verbunden ist.
7. Kontaktvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) auf einer dem Kontaktmittel (3,3‘) abgewandten Seite in einem zweiten Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig mit einem zweiten Kontaktmittel (3,3‘) verbunden ist, wobei das Substrat (2) und das zweite Kon taktmittel (3,3‘) mittels eines zweiten Polymermaterials (4,4‘) miteinander ver schweißt sind.
8. Elektrochemische Zelle (10) mit mindestens einem Zellraum (11 , 12), einer io nendurchlässigen Zellmembran (13) und einer Elektrode, wobei der Zellraum (11 , 12) zu mindestens einer Seite durch die Zellmembran (13) begrenzt ist und die Elektrode in dem Zellraum (11 , 12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode zumindest teilweise als Kontaktvorrichtung (1) nach einem der An sprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist, wobei das Substrat (2) im Wesentlichen parallel zu der Zellmembran (13) angeordnet ist und wobei das Kontaktmittel (3,3‘) zwi schen dem Substrat (2) und der Zellmembran (13) angeordnet ist und den Zell raum (11 , 12) zumindest teilweise ausfüllt.
9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellrahmenelement (16) zwischen der Zellmembran (13) und dem Substrat (2) angeordnet ist und das Kontaktmittel (3,3‘) randseitig begrenzt.
10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) auf einer dem Kontaktmittel (3,3‘) abgewandten Seite mit einem Stromsammler (14, 15) elektrisch kontaktiert ist.
11 . Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktvorrichtung (1) gemäß Anspruch 4 ausgestaltet ist, und das zweite Kontaktmittel (3,3‘) zwischen dem Substrat (2) und einer zweiten ionendurchläs sigen Zellmembran einer zweiten, benachbarten elektrochemischen Zelle ange ordnet ist und das Substrat (2) der Kontaktvorrichtung (1) als Bipolarplatte aus gestaltet ist.
12. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei das Sub strat (2) auf einer dem Zellraum (11 , 12) zugewandten Seite mindestens eine Vertiefung aufweist, welche durch mindestens einen Steg begrenzt ist und der Kontaktbereich zwischen dem Substrat (2) und dem Kontaktmittel (3,3‘) zumin dest teilweise auf dem Steg ausgebildet ist.
13. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (10) als Redox-Flow-Zelle ausgestaltet ist und der Zellraum (11 , 12) mit einem Elektrolyten, welcher insbesondere Vanadium ent hält, durchströmbar ist.
14. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (10) als Brennstoffzelle ausgestaltet ist, wobei der Zellraum mit einem Fluid, welches einen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, oder ein Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, enthält, durchströmbar ist.
15. Elektrochemischer Zellenstapel mit mindestens zwei elektrochemischen Zel len, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der elektrochemischen Zellen (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 ausgestaltet ist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvorrichtung, wobei in einem Verfahrensschritt A) mindestens ein elektrisch leitfähiges und verform bares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel (3,3‘), sowie ein elektrisch leitfähiges Substrat (2) bereitgestellt werden; in einem Verfahrensschritt B) das Substrat (2) und das Kontaktmittel (3,3‘) zur Ausbildung eines gemeinsamen Kontaktbereichs geschichtet werden, wobei ein in dem Substrat (2) enthaltenes Polymermaterial (4,4‘) und/oder ein Hilfsstoff, welcher das Polymermaterial (4,4‘) enthält, in dem Kontaktbereich angeordnet ist; in einem Verfahrensschritt C) ein elektrischer Strom zwischen dem Substrat (2) und dem Kontaktmittel (3,3‘) in dem Kontaktbereich erzeugt wird und das Poly mermaterial (4,4‘) aufgeschmolzen wird, um das Substrat (2) und das Kontakt mittel (3,3‘) zu verschweißen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff in Verfahrensschritt B) zumindest teilweise als Pulver und/oder als Folie vorliegt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt C) das Kontaktmittel (3, 3‘) mittels einer Schweißelektrode (6) elektrisch kontaktiert wird und gegenüber einem unkomprimierten Volumen um höchstens 5% komprimiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt C) ein elektrisch isolierender Schweißrahmen an einem Randbereich des Kontaktmittels (3, 3‘) angeordnet wird und die Schweißelekt rode (6, 6‘) in Verfahrensschritt C) zumindest teilweise auf dem Schweißrahmen aufliegt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt C) ein elektrischer Widerstand in dem Kontaktbereich ermit telt wird und der elektrische Strom in Abhängigkeit des ermittelten Widerstandes in dem Kontaktbereich geregelt wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0999378A (ja) * 1995-10-03 1997-04-15 Nkk Corp 樹脂ラミネート金属板のシリーズスポット溶接方法
KR20160136153A (ko) * 2015-05-19 2016-11-29 한국과학기술원 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법
WO2021060742A1 (ko) * 2019-09-24 2021-04-01 주식회사 유앤에스에너지 양극 전극용 집전체

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5928989B2 (ja) 2013-10-30 2016-06-01 トヨタ自動車株式会社 セルモニタコネクタ
DE102016210316A1 (de) 2016-06-10 2017-12-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Kontaktieren von mehreren Separatorplatten sowie Brennstoffzellensystem
DE102018216265A1 (de) 2018-09-25 2020-03-26 Audi Ag Steckverbinder, Bipolarplatte und Kombination aus einem Steckverbinder und einem Brennstoffzellenstapel

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0999378A (ja) * 1995-10-03 1997-04-15 Nkk Corp 樹脂ラミネート金属板のシリーズスポット溶接方法
KR20160136153A (ko) * 2015-05-19 2016-11-29 한국과학기술원 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법
WO2021060742A1 (ko) * 2019-09-24 2021-04-01 주식회사 유앤에스에너지 양극 전극용 집전체
EP4037037A1 (de) * 2019-09-24 2022-08-03 U&S Energy, Inc. Kathodenstromabnehmer

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