WO2022263394A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen zelleneinheit - Google Patents

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WO2022263394A1
WO2022263394A1 PCT/EP2022/066072 EP2022066072W WO2022263394A1 WO 2022263394 A1 WO2022263394 A1 WO 2022263394A1 EP 2022066072 W EP2022066072 W EP 2022066072W WO 2022263394 A1 WO2022263394 A1 WO 2022263394A1
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electrochemical
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Andreas RINGK
Anton Ringel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
  • Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agent into electrical energy and water by means of redox reactions at an anode and cathode.
  • Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping.
  • a multiplicity of fuel cells are arranged in a stack as a stack.
  • fuel cell units a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Inside each fuel cell there is a gas space for oxidizing agent, ie a flow space for conducting oxidizing agent, such as air from the environment with oxygen, through.
  • the oxidant gas space is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus formed by a corresponding channel structure of a bipolar plate and the oxidizing agent, namely oxygen, reaches the cathode of the fuel cells through the gas diffusion layer.
  • a gas space for fuel is present in an analogous manner.
  • Electrolytic cell units made up of stacked electrolytic cells, analogous to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known which can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolytic cell units. Fuel cell units and electrolytic cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolytic cells form electrochemical cells. Fuel cells and electrolytic cells form electro
  • layered components of the fuel cells namely proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates
  • the gas diffusion layers are placed on the bipolar plates.
  • the gas diffusion layers have a small mass and a low specific weight. For this reason, the gas diffusion layers can slip slightly after being placed on the bipolar plates, for example due to air currents, so that a relative movement between the gas diffusion layers and the bipolar plates occurs in a direction parallel to fictitious planes spanned by the layered components.
  • Method according to the invention for producing an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolytic cell unit with stacked cells electrochemical cells with the steps: providing layered components of the electrochemical cells, namely preferably proton exchange membranes, anodes, cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, stacking the layered components to form electrochemical cells and a stack of the electrochemical cell unit, the gas diffusion layers being made available to that effect be that the gas diffusion layers comprise a magnetic material.
  • the magnetic material with which the gas diffusion layers are made available is, for example, a soft magnetic material, a semi-hard magnetic material or a permanent magnetic material.
  • the metal bipolar plates in particular iron, are made of a magnetic material so that a magnetic force occurs between the bipolar plates and the gas diffusion layers, which causes a compressive force between the contact surfaces of the bipolar plates and the gas diffusion layers.
  • This compressive force causes a non-positive and/or positive connection between the contact surfaces of the bipolar plates and gas diffusion layers, so that advantageously after the gas diffusion layers have been placed on the bipolar plates, there is no relative movement between the gas diffusion layers and the bipolar plates in a direction parallel to the layered components spanned fictitious levels occurs.
  • forces for example due to air movements, are no longer sufficient to bring about a relative movement between the bipolar plates and the gas diffusion layers.
  • the gas diffusion layers are placed on the bipolar plates with a magnetic material, so that the gas diffusion layers are attracted to the bipolar plates with a magnetic force.
  • a non-positive and/or positive connection between the gas diffusion layers and the bipolar plates is produced due to the compressive force resulting from the magnetic force on the contact surfaces between the gas diffusion layers and the bipolar plates.
  • a gas diffusion layer is placed on each bipolar plate, so that each bipolar plate forms an intermediate assembly unit with the one gas diffusion layer and the gas diffusion layer in the intermediate assembly unit is attracted by the magnetic force to each bipolar plate.
  • the magnetic force between the gas diffusion layer and each bipolar plate in the assembly unit causes a positive and/or non-positive connection between the gas diffusion layer and each bipolar plate, so that during the movement of the intermediate assembly unit to the already partially stacked stack there is no relative movement between the gas diffusion layer and which occurs in each case in a direction parallel to the fictitious planes spanned by the layered components gas diffusion layer and bipolar plate.
  • the intermediate assembly unit can thus advantageously be moved by a robot at high speed and the strong air currents resulting therefrom to the partially stacked stack.
  • a gas diffusion layer and a membrane electrode arrangement are expediently placed on each bipolar plate, so that each bipolar plate forms an intermediate assembly unit with the gas diffusion layer and the membrane electrode arrangement, and in the intermediate assembly unit the gas diffusion layer is attracted by the magnetic force to the one bipolar plate each.
  • the gas diffusion layer is preferably arranged between the bipolar plate and the membrane electrode arrangement in the intermediate assembly unit.
  • each bipolar plate two gas diffusion layers and a membrane electrode arrangement are placed on each bipolar plate, so that each bipolar plate with the two gas diffusion layers and the membrane electrode arrangement forms an intermediate assembly unit and in the intermediate assembly unit the gas diffusion layers are attracted by the magnetic force to the one bipolar plate each.
  • a first gas diffusion layer is arranged between the bipolar plate and the membrane electrode arrangement in the intermediate assembly unit and the A membrane electrode assembly is disposed between the first and a second gas diffusion layer.
  • the intermediate assembly units are produced in an intermediate step and then the intermediate assembly units are placed on an already partially stacked stack with stacked electrochemical cells.
  • the intermediate assembly units produced in the intermediate step are moved with a robot to the stack that has already been partially produced.
  • the gas diffusion layers are moved with at least one magnetic gripper during manufacture by the gas diffusion layers being attracted by the magnetic grippers with magnetic forces and the at least one magnetic gripper being moved by a robot.
  • the at least one magnetic gripper preferably comprises a coil that can be energized as an electromagnet, so that when current is passed through the coil, an electromagnet is present to form a magnetic force between the coil and the gas diffusion layer and to move the gas diffusion layer while the coil is energized and during a When the coil is switched off, no magnetic force acts between the coil and the gas diffusion layer, so that when the coil is switched off, the gas diffusion layer is deposited or can be deposited on a layered component, in particular the bipolar plate.
  • the gas diffusion layers are moved to the bipolar plates with at least one magnetic gripper during production and placed on the bipolar plates by the gas diffusion layers being attracted by magnetic forces from the at least one magnetic gripper, so that the intermediate assembly units are formed and the at least one magnetic gripper is moved by a robot.
  • the magnetic material in the gas diffusion layers is preferably fullerene as a modification of the carbon.
  • Fullerenes are a modification of carbon and have, for example, an molecular formula of Obo or C 70 .
  • the fullerenes are with a very high pressure, for example of more than 10 bar, 40 bar, 50 bar or 100 bar and/or a high temperature, in particular at least 50° C., 100° C., 200° C. or 500° C., and thus have magnetic properties.
  • the magnetic material consists of particles made of a magnetic material, in particular a ferromagnetic material.
  • the particles as nanoparticles comprise the material iron, in particular iron oxide, and the nanoparticles are arranged in small tubes as nanotubes, in particular in small carbon tubes as nanotubes made of carbon.
  • the nanotubes expediently have a diameter of less than 300 nm, 200 nm or 100 nm.
  • the nanotubes are preferably formed from carbon, boron nitride or titanium dioxide.
  • the nanoparticles are preferably formed from a paramagnetic iron oxide.
  • the nanotubes expediently have a diameter of between 200 nm and 400 nm.
  • the nanoparticles are expediently applied in and/or on the nanotubes, in particular also on membranes, by means of gas phase deposition.
  • Electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising electrochemical cells arranged stacked and the electrochemical cells each comprising layered components arranged stacked and the components of the electrochemical cells preferably proton exchange membranes, anodes , cathodes, gas diffusion layers and bipolar plates, the electrochemical cell unit being produced using a method described in this patent application and/or the gas diffusion layers comprising a magnetic material, so that the gas diffusion layers are attracted to the bipolar plates with a magnetic force.
  • the particles of the magnetic material in the gas diffusion layers have a diameter of less than 50 ⁇ m, preferably between 10 nm and 30 ⁇ m, in particular between 5 nm and 10 ⁇ m.
  • the particles of the magnetic material are connected to the gas diffusion layers with a binding agent and/or adhesive.
  • the membrane electrode arrangements are preferably formed by a proton exchange membrane, an anode and a cathode, in particular as a CCM (catalyst coated membrane) with catalyst material in the anodes and cathodes.
  • CCM catalyst coated membrane
  • the electrochemical cell unit comprises at least 50, 100 or 200 stacked electrochemical cells.
  • an electrochemical cell unit described in this patent application is produced using the method described in this patent application.
  • the invention also includes a computer program with program code means, which are stored on a computer-readable data carrier, in order to carry out a method described in this patent application, when the computer program is carried out on a computer or a corresponding computing unit.
  • the invention also includes a computer program product with program code means that are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this property right application when the computer program is carried out on a computer or a corresponding processing unit.
  • the electrochemical cell unit is a fuel cell unit as a fuel cell stack for converting electrochemical energy into electrical energy and/or an electrolytic cell unit for converting electrical energy into electrochemical energy.
  • the bipolar plates are expediently designed as separator plates and an electrical insulation layer, in particular a proton exchange membrane, is arranged between each anode and each cathode, and preferably the electrolysis cells each include a third channel for the separate passage of a cooling fluid as the third process fluid.
  • the electrolytic cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolytic cell unit forms a reversible fuel cell unit.
  • the first substance is oxygen and the second substance is hydrogen.
  • the electrolytic cells of the electrolytic cell unit are fuel cells.
  • the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate.
  • the stack is enclosed by the housing and/or the connection board.
  • Fuel cell system in particular for a motor vehicle, comprising a fuel cell unit as a fuel cell stack with fuel cells, a compressed gas store for storing gaseous fuel, a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, the fuel cell unit being a fuel cell unit described in this patent application and/or Electrolytic cell unit is formed.
  • Electrolysis system and/or fuel cell system comprising an electrolysis cell unit as an electrolysis cell stack with electrolysis cells, preferably a pressurized gas store for storing gaseous fuel, preferably a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells, a storage container for liquid electrolyte, a pump for delivering the liquid Electrolyte, wherein the electrolytic cell unit as one in this Schutzrechtsandication described electrolytic cell unit and / or fuel cell unit is formed.
  • a pressurized gas store for storing gaseous fuel
  • a gas delivery device for delivering a gaseous oxidizing agent to the cathodes of the fuel cells
  • a storage container for liquid electrolyte for liquid electrolyte
  • a pump for delivering the liquid Electrolyte
  • the fuel cell unit described in this patent application also forms an electrolytic cell unit and preferably vice versa.
  • the electrochemical cell unit in particular the fuel cell unit and/or the electrolytic cell unit, comprises at least one connecting device, in particular a plurality of connecting devices, and tensioning elements.
  • Components for electrochemical cells in particular fuel cells and/or electrolytic cells, preferably insulation layers, in particular proton exchange membranes, anodes, cathodes, preferably gas diffusion layers and bipolar plates, in particular separator plates, are expedient.
  • the electrochemical cells in particular fuel cells and/or electrolytic cells, each preferably comprise an insulating layer, in particular proton exchange membrane, an anode, a cathode, preferably at least one gas diffusion layer and at least one bipolar plate, in particular at least one separator plate.
  • the connecting device is designed as a bolt and/or is rod-shaped and/or is designed as a tension belt.
  • the clamping elements are expediently designed as clamping plates.
  • the gas conveying device is designed as a blower and/or a compressor and/or a pressure vessel with oxidizing agent.
  • the electrochemical cell unit in particular a fuel cell unit and/or an electrolytic cell unit, comprises at least 3, 4, 5 or 6 connecting devices.
  • the tensioning elements are plate-shaped and/or disk-shaped and/or flat and/or designed as a lattice.
  • the fuel is hydrogen, hydrogen rich gas, reformate gas or natural gas.
  • the fuel cells and/or electrolytic cells are expediently designed to be essentially flat and/or disc-shaped.
  • the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
  • the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells, or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells, or an alkaline fuel cell (AFC).
  • PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or a SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells, or an alkaline fuel cell (AFC).
  • AFC alkaline fuel cell
  • FIG. 1 shows a greatly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolytic cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolytic cell,
  • FIG. 2 is a perspective view of part of a fuel cell and electrolytic cell
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through electrochemical cells as a fuel cell and electrolytic cell
  • FIG. 4 shows a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolysis cell unit as a fuel cell stack and electrolysis cell stack
  • 5 shows a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolytic cell unit as a fuel cell stack and electrolytic cell stack
  • Fig. 7 is a side view of a robot
  • FIG. 8 shows a perspective view of a first bipolar plate before a gas diffusion layer is placed on the bipolar plate
  • FIG. 9 shows a perspective view of the first bipolar plate with the gas diffusion layer placed thereon and a membrane electrode arrangement before being placed on the bipolar plate and gas diffusion layer and
  • Fig. 10 shows a perspective view of the first bipolar plate with the gas diffusion layer (not shown) placed on top and the membrane electrode arrangement placed on top before a second bipolar plate is placed on the membrane electrode arrangement, gas diffusion layer and first bipolar plate with another gas diffusion layer (not shown) arranged on an underside of the second bipolar plate.
  • FIG. 1 to 3 show the basic structure of a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3).
  • the principle of fuel cells 2 is that electrical energy or electrical current is generated by means of an electrochemical reaction.
  • Hydrogen H2 is passed as a gaseous fuel to an anode 7 and the anode 7 forms the negative pole.
  • a gaseous oxidizing agent namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, i. H. the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidant.
  • a reduction acceptance of electrons takes place at the cathode 8 .
  • the oxidation as electron release is carried out at the anode 7 .
  • the difference between the normal potentials of the pairs of electrodes under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or no-load voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not reached in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be reached and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are reached.
  • the series connection of several fuel cells 2, in particular a fuel cell unit 1 as a fuel cell stack 1 of several stacked fuel cells 2 has a higher voltage, which corresponds to the number of fuel cells 2 multiplied by the individual voltage of each fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 also includes a proton exchange membrane 5 (proton exchange membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8 .
  • PEM proton exchange membrane
  • the anode 7 and cathode 8 are in the form of layers or discs.
  • the PEM 5 acts as an electrolyte, catalyst support and separator for the reaction gases.
  • the PEM 5 also acts as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8.
  • 12 ⁇ m to 150 ⁇ m thick, proton-conducting foils made from perfluorinated and sulfonated polymers are used.
  • the PEM 5 conducts the H + protons and essentially blocks ions other than H + protons, so that the charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the H + protons.
  • the PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O2 and hydrogen H2, ie blocks the flow of oxygen O2 and hydrogen H2 between a gas space 31 on the anode 7 with fuel hydrogen H2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O2 as the oxidizing agent.
  • the proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
  • the electrodes 7 , 8 as the anode 7 and cathode 8 lie on the two sides of the PEM 5 , each facing towards the gas chambers 31 , 32 .
  • a unit made up of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (membrane electrode assembly, MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles bonded to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and embedded in microporous carbon fiber, Glass fiber or plastic mats are hot-pressed.
  • a catalyst layer 30 (not shown) is normally applied to each of the electrodes 7, 8 on the side facing the gas chambers 31, 32.
  • the catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel on the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles which are bound to a binder.
  • the catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent on the cathode 8 analogously comprises nanodispersed platinum.
  • binders used are Nafion®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol.
  • the electrodes 7, 8 are constructed from an ionomer, for example Nafion®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and also function as a catalyst layer 30 (FIGS. 2 and 3) due to the platinum-containing carbon particles.
  • Membrane electrode assemblies 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode assemblies 6 as a CCM (catalyst coated membrane).
  • gas diffusion layer 9 gas diffusion layer, GDL.
  • the gas diffusion layer 9 on the anode 7 evenly distributes the fuel from fuel passages 12 to the catalyst layer 30 on the anode 7.
  • the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from oxidant passages 13 evenly onto the catalyst layer 30 at the cathode 8.
  • the GDL 9 also draws off reaction water in the reverse direction to the direction of flow of the reaction gases, ie in one direction each from the catalyst layer 30 to the channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 wet and conducts the current.
  • the GDL 9 is constructed, for example, from hydrophobic carbon paper as the carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as the microporous layer.
  • a bipolar plate 10 rests on the GDL 9 .
  • the electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for water drainage and for conducting the reaction gases as process fluids through the channel structures 29 and/or flow fields 29 and for dissipating the waste heat, which occurs in particular during the exothermic electrochemical reaction at the cathode 8.
  • channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for conducting a liquid or gaseous coolant as the process fluid.
  • the channel structure 29 in the gas space 31 for fuel is formed by channels 12 .
  • the channel structure 29 in the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by channels 13 .
  • Metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite, for example, are used as the material for the bipolar plates 10 .
  • a plurality of fuel cells 2 are arranged stacked in alignment (FIGS. 4 and 5).
  • 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged in a stacked alignment.
  • Seals 11 seal the gas chambers 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner.
  • Hydrogen H2 is stored as fuel at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar in a compressed gas store 21 (FIG. 1). From the compressed gas reservoir 21, the fuel is passed through a high-pressure line 18 to a pressure reducer 20 to reduce the pressure of the fuel in a medium-pressure line 17 from approximately 10 bar to 20 bar.
  • the fuel is routed to an injector 19 from the medium-pressure line 17 .
  • the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar.
  • the fuel is supplied to a supply line 16 for fuel (FIG. 1) and from the supply line 16 to the channels 12 for fuel, which the channel structure 29 for form fuel.
  • the fuel flows through the gas space 31 for the fuel.
  • the gas space 31 for the fuel is formed by the channels 12 and the GDL 9 on the anode 7 .
  • the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and any water from controlled humidification of the anode 7 are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 15 .
  • a gas conveying device 22 embodied for example as a fan 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agent.
  • the air is supplied from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agent, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agent, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent.
  • the gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8 .
  • the oxidizing agent 32 After the oxidizing agent 32 has flowed through the channels 13 or the gas space 32, the oxidizing agent not consumed at the cathode 8 and the water of reaction formed at the cathode 8 due to the electrochemical redox reaction are discharged from the fuel cells 2 through a discharge line 26.
  • a supply line 27 is used to supply coolant into the channels 14 for coolant and a discharge line 28 is used to discharge the coolant conducted through the channels 14 .
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 are shown in FIG. 1 as separate lines for reasons of simplification.
  • At the end area near the channels 12, 13, 14 are in the stack as a stack of the fuel cell unit 1 aligned fluid openings 41 on sealing plates 39 as an extension at the end area 40 of the bipolar plates 10 (Fig.
  • the fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span imaginary planes 59 aligned essentially parallel to one another.
  • the aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the notional planes 59 between the fluid openings 41 thus form an oxidant supply duct 42, an oxidant discharge duct 43, a fuel supply duct 44, a fuel discharge duct 45, a Supply channel 46 for coolant and a discharge channel 47 for coolant.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of Fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the stack of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 inside the stack of the fuel cell unit 1.
  • the fuel cell stack 1 together with the compressed gas reservoir 21 and the gas delivery device 22 forms a fuel cell system 4.
  • the fuel cells 2 are arranged as clamping plates 34 between two clamping elements 33 in the fuel cell unit 1 .
  • a first clamping plate 35 lies on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 lies on the last fuel cell 2 .
  • the fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, not all of which are shown in FIGS. 4 and 5 for reasons of drawing.
  • the clamping members 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, i. H. the first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 with a pressing force, and the second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2 with a pressing force.
  • the fuel cell stack 2 is thus braced in order to ensure tightness for the fuel, the oxidizing agent and the coolant, in particular due to the elastic seals 11, and also to keep the electrical contact resistance within the fuel cell stack 1 as small as possible.
  • four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress.
  • the four bolts 38 are connected to the chipboards 34 .
  • the bipolar plate 10 of the fuel cell 2 is shown.
  • the bipolar plate 10 includes the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29.
  • the channels 12, 13 and 14 are not shown separately in FIG Bipolar plates 10 and membrane electrode arrangements 6 (FIGS. 9 and 10) are arranged stacked in alignment within the fuel cell unit 1, so that feed and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 are formed.
  • Seals (not shown) are arranged between the sealing plates 39 for fluid-tight sealing of the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 formed by the fluid openings 41.
  • the term separator plate 51 for the fluid-tight separation or separation of process fluids can also be selected for the bipolar plate 10 .
  • the term separator plate 51 is thus also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa.
  • the channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidant and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52, but with a different function.
  • the fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolytic cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1.
  • a number of features that allow the fuel cell unit 1 to be operated as an electrolytic cell unit 49 are described below.
  • a sufficient concentration of oxonium ions H 3 0 + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.
  • the polarity of the electrodes 7, 8 with electrolysis when operating as an electrolytic cell unit 49 is reversed (not shown) as when operating as a fuel cell unit 1, so that in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is conducted, at the cathodes hydrogen H 2 as second substance is formed and the hydrogen H2 is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is passed through the channels 13 for the oxidizing agent and oxygen O2 is formed as the first substance at the anodes in or on the channels 13 for the oxidizing agent.
  • the fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 act as electrolytic cells 50 during operation as an electrolytic cell unit 49.
  • the fuel cells 2 and electrolytic cells 50 thus form electrochemical cells 52.
  • the oxygen O2 formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is stored in a storage tank 54 .
  • two storage containers 54 of the fuel cell system 4 are shown in FIG. 1, which also functions as an electrolytic cell system 48 .
  • the 3-way valve 55 on the fuel supply line 16 is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte is introduced into the fuel supply line 16 from the storage tank 54 with a pump 56 and not fuel from the compressed gas storage tank 21 .
  • a 3-way valve 55 on the supply line 25 for oxidant is switched over during operation as an electrolytic cell unit 49, so that the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is fed into the supply line 25 for oxidant rather than oxidant as air from the gas delivery device 22 is initiated.
  • the fuel cell unit 1, which also functions as an electrolytic cell unit 49 has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains completely or the gas diffusion layer 9 is not formed or the gas diffusion layer 9 is a structure on the bipolar plate 10.
  • the electrolytic cell unit 49 with the storage tank 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms a electrochemical cell system 60.
  • a separator 57 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel.
  • the separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the compressed gas reservoir 21 with a compressor (not shown).
  • the electrolyte discharged from the hydrogen separator 57 is then recovered supplied to the storage tank 54 for the electrolyte with a pipe.
  • a separator 58 for oxygen is arranged on the discharge line 26 for fuel. The separator 58 separates the oxygen from the electrolyte with oxygen, and the separated oxygen is introduced with a compressor (not shown) into a compressed gas reservoir (not shown) for oxygen.
  • the oxygen in the compressed gas reservoir for oxygen can optionally be used to operate the fuel cell unit 1 by using a line, not shown, to slide the oxygen into the supply line 25 for oxidizing agent when operating as a fuel cell unit 1.
  • the electrolyte derived from the separator 58 for oxygen is then fed back to the storage tank 54 for the electrolyte with a line.
  • the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 are designed in such a way that after use as an electrolytic cell unit 49 and the pump 56 has been switched off, the liquid electrolyte runs back completely into the storage container 54 due to gravity.
  • an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 for the complete removal of the liquid electrolyte before the passage of gaseous fuel and oxidizing agent.
  • the fuel cells 2 and the electrolytic cells 2 thus form electrochemical cells 52.
  • the fuel cell unit 1 and the electrolytic cell unit 49 thus form an electrochemical cell unit 53.
  • the channels 12 for fuel and the channels for oxidizing agent thus form channels 12, 13 for the passage of the liquid electrolyte during operation as an electrolytic cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26.
  • An electrolytic cell unit 49 does not normally require any channels 14 for the passage of coolant for process-related reasons.
  • the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolyte and the channels 13 for oxidant also form channels 13 for passing fuel and/or electrolyte.
  • the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1 .
  • Potash lye as a potassium hydroxide solution is used as the mobile electrolyte deployed.
  • the fuel cells 2 are stacked. A monopolar cell structure or a bipolar cell structure can be formed.
  • the potassium hydroxide solution circulates between an anode and cathode and transports reaction water, heat and impurities (carbonates, dissolved gases) away.
  • the fuel cell unit 1 can also be operated as a reversible fuel cell unit 1, ie as an electrolytic cell unit 49.
  • a robot 61 for manufacturing the electrochemical cell unit 53 is shown in FIG.
  • the robot 61 includes robot arms 62 and robot joints 63.
  • a process unit 65 as a magnetic gripper 66 and a camera 64 are attached at an end portion of a last robot arm 62.
  • the magnetic gripper 66 with a coil as an electromagnet is attached to the last robot arm 62 with a ball joint (not shown) which can be moved by a motor.
  • a computer 67 with a processor and a data memory controls the robot 61.
  • the data memory contains position data on the intended geometric arrangement of the bipolar plates 10 and/or gas diffusion layers 9 and/or proton exchange membranes 5 and/or membrane electrode arrangements 6 and/or on the relative position of the robot 61 to the stack of the electrochemical cell unit 53 is stored.
  • the camera 64 optically captures images of the bipolar plates 10 and/or gas diffusion layers 9 and/or proton exchange membranes 5 and/or membrane electrode assemblies 6 and with image processing software in the computer 67 the actual relative position of the bipolar plates 10 and/or gas diffusion layers 9 and/or proton exchange membranes 5 and/or membrane electrode assemblies 6 to the robot 48 are detected.
  • the movement of the robot 61 is thus controlled as a function of the intended position data stored in the data memory and/or the data determined by the image processing software on the actual position of the bipolar plates 10 and/or gas diffusion layers 9 and/or proton exchange membranes 5 and/or membrane electrode arrangements 6 relative to the robot 48.
  • the stored position data can thus be corrected with the data determined by the image processing software on the actual position of the bipolar plates 10 and/or gas diffusion layers 9 and/or proton exchange membranes 5 and/or membrane electrode arrangements 6 relative to the robot 61, so that advantageously wise deviations in the geometric arrangement of the bipolar plates 10 and / or Gas diffusion layers 9 and / or proton exchange membranes 5 and / or membrane electrode assemblies 6, for example due to manufacturing inaccuracies, have no impact on production.
  • the robot 61 has a mechanical gripper, not shown.
  • the layered components of electrochemical cells 52 are first made available.
  • the layered components are a proton exchange membrane 5, an anode 7, a cathode 8, a gas diffusion layer 9 and a bipolar plate 10.
  • the anode 7, the cathode 8 and the proton exchange membrane 5 form a membrane electrode arrangement 6 in which the anode 7 and the cathode 8 CCM (catalyst coated membrane) in which the anode 7 and the cathode 8 are additionally provided with a catalyst material, so that the Anode 7 and cathode 8 additionally form a catalyst layer 30 .
  • the layered components of the fuel cells 2 are stacked to form a stack shown, for example, in FIGS. 3 and 4 as a stack.
  • the gas diffusion layers 9 are manufactured and provided to have magnetic properties. This is achieved in that the gas diffusion layers 9 are partially provided with a magnetic material as particles. These particles as nanoparticles are arranged in carbon tubes as nanotubes. Alternatively or additionally, fullerenes can also be arranged in the gas diffusion layers 9 as a modification of carbon as a magnetic material.
  • the bipolar plates 10 are essentially made of iron and are therefore also made of a magnetic material.
  • Fig. 8 a manufacturing step for producing an intermediate assembly unit 70 from the bipolar plate 10 and the gas diffusion layer 9 is shown.
  • the robot 61 places a bipolar plate 10 from a stack of bipolar plates 10, not shown, onto a support surface, not shown, using a mechanical gripper or a suction gripper (not shown). Subsequently, the robot 61 with the magnetic gripper 66 is a gas diffusion layer 9 of a stack with gas diffusion layers 9 (not shown) by energizing a coil (not shown) in the magnetic gripper 66, so that magnetic forces are formed with the help of which the gas diffusion layer 9 can be raised due to magnetic forces on the one hand between the magnetic gripper 66 as an electromagnet with the energized Coil and on the other hand the magnetic material in the gas diffusion layer 9.
  • the gas diffusion layer 9 can simply be placed on the bipolar plate 10 without mechanical damage to the gas diffusion layer 9 , so that the gas diffusion layer 9 is placed on an upper side of the bipolar plate 10 according to the representation in FIG. 9 .
  • This intermediate assembly unit 70 shown in FIG. 9 can optionally be moved to an already partially manufactured stack of the fuel cell unit 1 with the robot 61, for example by means of mechanical grippers and/or the magnetic grippers 66.
  • the membrane electrode arrangement 6 is also shown in FIG. In the
  • Membrane electrode assembly 6 the proton exchange membrane 5 is enclosed by a sealing layer 68 as a subgasket 69.
  • the fluid openings 41 are also formed in the subgasket 69 .
  • the membrane-electrode assembly 6 in FIG. 10 forms a CCM because the anode 7 and the cathode 8 incorporate catalyst material.
  • the membrane electrode assembly 6 is placed on the gas diffusion layer 9 and on the bipolar plate 10, so that the gas diffusion layer 9 is arranged between the membrane electrode assembly 6 and the bipolar plate 10 as shown in the intermediate assembly unit 70 in Fig. 10.
  • Fig. 10 includes the intermediate assembly unit 70 thus contains the bipolar plate 10, the gas diffusion layer 9 and the membrane electrode arrangement 6.
  • this intermediate assembly unit 70 can be moved by means of the robot 61 to the already partially configured stack or stack with the fuel cells 2.
  • a further second gas diffusion layer 9 lies on the underside of the bipolar plate 10 (not illustrated).
  • the second gas diffusion layer 9 is fixed to the bipolar plate 10 by magnetic forces between the gas diffusion layer 9 and the bipolar plate 10 . This was achieved, for example, by the robot 61 placing a gas diffusion layer 9 on this underside of the bipolar plate 10 and then using another robot 61 to rotate this bipolar plate 10 with the applied gas diffusion layer 9 by 180° into the position in Fig.
  • the bipolar plate 10 with the underlying gas diffusion layer 9 is placed on the intermediate assembly unit 70 shown in FIG.
  • This forms another larger intermediate assembly unit 70 comprising the first and second bipolar plates 10 on the outside of this intermediate assembly unit 70 and the two gas diffusion layers 9 and the membrane electrode arrangement 6 as a CCM, which is arranged between the two gas diffusion layers 9 .
  • This intermediate assembly unit 70 is then moved with the robot 61 and magnetic grippers 66 and/or mechanical grippers to the only partially stacked stack with the fuel cells 2 .
  • the processes described above are repeated again and again until, for example, a fuel cell unit 1 is produced as a stack with 400 fuel cells 2 .
  • the gas diffusion layers 9 Due to the magnetic material in the gas diffusion layers 9, the gas diffusion layers 9 can be temporarily fixed to the magnetic grippers 66 of the robot 61 and the magnetic forces between the bipolar plates 10 made of steel or iron and the gas diffusion layers 9 also occur.
  • the gas diffusion layers 9, which are very sensitive to mechanical damage, can thus advantageously be moved non-destructively and reliably by the magnetic grippers 66 during the entire manufacturing process by means of the robot 61 without the use of mechanical grippers.
  • Mechanical grippers have a high risk of mechanical damage to the sensitive gas diffusion layers 9.
  • the magnetic forces between the bipolar plates 10 and the gas diffusion layers 9 ensure that there is no relative movement between the gas diffusion layers 9 and the bipolar plates 10 after the gas diffusion layers 9 have been placed on the bipolar plates 10 in a direction parallel to the notional planes 59. This can advantageously
  • Gas diffusion layer 9 is thus advantageously no longer necessary.
  • the gas diffusion layers 9 can also be fixed to an underside of the bipolar plate 10 by means of magnetic forces in order to optimize the production process. This enables an overall safe, reliable, cost-effective and accurate

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), wobei die Gasdiffusionsschichten (9) dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
In Brennstoffzelleneinheiten sind eine große Anzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Innerhalb der Brennstoffzellen ist jeweils ein Gasraum für Oxidationsmittel vorhanden, das heißt ein Strömungsraum zum Durchleiten von Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft aus der Umgebung mit Sauerstoff. Der Gasraum für Oxidationsmittel ist von Kanälen an der Bipolarplatte und von einer Gasdiffusionsschicht für eine Kathode gebildet. Die Kanäle sind somit von einer entsprechenden Kanalstruktur einer Bipolarplatte gebildet und durch die Gasdiffusionsschicht gelangt das Oxidationsmittel, nämlich Sauerstoff, zu der Kathode der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. Elektrolysezelleneinheiten aus gestapelt angeordneten Elektrolysezellen, analog wie bei Brennstoffzelleneinheiten, dienen beispielsweise zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Ferner sind Brennstoffzelleneinheiten bekannt, die als reversible Brennstoffzelleneinheiten und damit als Elektrolysezelleneinheiten betrieben werden können. Brennstoffzelleneinheiten und Elektrolysezelleinheiten bilden elektrochemische Zelleneinheiten. Brennstoffzellen und Elektrolysezellen bilden elektrochemische Zellen.
Bei der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit werden schichtförmige Komponenten der Brennstoffzellen, nämlich Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, zu einem Stack mit Brennstoffzellen gestapelt. Die Gasdiffusionsschichten werden dabei aufgrund der Anordnung auf die Bipolarplatten aufgelegt. Die Gasdiffusionsschichten weisen eine kleine Masse und ein geringes spezifisches Gewicht auf. Aus diesem Grund können die Gasdiffusionsschichten nach dem Auflegen auf die Bipolarplatten leicht verrutschen, beispielsweise aufgrund von Luftströmungen, sodass eine Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten in einer Richtung parallel zu von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Dies bedeutet, dass nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten und vor der Anordnung einer weiteren schichtförmigen Komponente, beispielsweise einer Membranelektrodenanordnung mit der Anode, Kathode und der Protonenaustauschermembran, eine weitere aufwändige korrekte Ausrichtung der Gasdiffusionsschichten relativ zu den Bipolarplatten notwendig ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit gestapelten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten der elektrochemischen Zellen, nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Gasdiffusionsschichten dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten einen magnetischen Werkstoff umfassen. Der magnetische Werkstoff, mit welchem die Gasdiffusionsschichten zur Verfügung gestellt werden, ist beispielsweise ein weichmagnetischer Werkstoff, ein halbharter magnetische Werkstoff oder ein Dauermagnetwerkstoff. Die Bipolarplatten aus Metall, insbesondere mit Eisen, sind aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet, sodass dadurch zwischen den Bipolarplatten und den Gasdiffusionsschichten eine magnetische Kraft auftritt, welche eine Druckkraft zwischen den Kontaktflächen der Bipolarplatten und der Gasdiffusionsschichten bewirkt. Diese Druckkraft bedingt dadurch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen der Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten, sodass dadurch in vorteilhafter Weise nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten keine Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten in einer Richtung parallel zu den von den schichtförmigen Komponenten aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Kräfte, beispielsweise aufgrund von Luftbewegungen, sind dadurch nicht mehr ausreichend um eine Relativbewegung zwischen den Bipolarplatten und den Gasdiffusionsschichten zu bewirken.
In einerweiteren Variante werden die Gasdiffusionsschichten auf die Bipolarplatten mit einem magnetischen Werkstoff aufgelegt, so dass die Gasdiffusionsschichten mit einer magnetischen Kraft zu den Bipolarplatten angezogen werden.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird aufgrund der aus der magnetischen Kraft resultierenden Druckkraft an Kontaktflächen zwischen den Gasdiffusionsschichten und den Bipolarplatten eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten hergestellt. In einerweiteren Ausführungsform wird auf je eine Bipolarplatte eine Gasdiffusionsschicht aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit der einen Gasdiffusionsschicht eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen wird. Die magnetische Kraft zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte in der Montageeinheit bewirkt eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte, sodass dadurch während der Bewegung der Zwischenmontageeinheit zu dem bereits teilweise gestapelten Stack keine Relativbewegung zwischen der Gasdiffusionsschicht und der je einen Bipolarplatte in einer Richtung parallel zu den von den schichtförmigen Komponenten Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte aufgespannten fiktiven Ebenen auftritt. Damit kann in vorteilhafter Weise die Zwischenmontageeinheit von einem Roboter mit einer hohen Geschwindigkeit und hieraus resultierenden starken Luftströmungen zu dem teilweise gestapelten Stack bewegt werden.
Zweckmäßig werden auf je eine Bipolarplatte eine Gasdiffusionsschicht und eine Membranelektrodenanordnung aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit der Gasdiffusionsschicht und der Membranelektrodenanordnung eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen wird.
Vorzugsweise ist in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschicht zwischen der Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet.
In einerweiteren Ausgestaltung werden auf je eine Bipolarplatte zwei Gasdiffusionsschichten und eine Membranelektrodenanordnung aufgelegt, so dass die je eine Bipolarplatte mit den zwei Gasdiffusionsschichten und der Membranelektrodenanordnung eine Zwischenmontageeinheit bildet und in der Zwischenmontageeinheit die Gasdiffusionsschichten mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte angezogen werden.
In einer ergänzenden Variante ist in der Zwischenmontageeinheit eine erste Gasdiffusionsschicht zwischen der Bipolarplatte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet und die Membranelektrodenanordnung ist zwischen der ersten und einer zweiten Gasdiffusionsschicht angeordnet.
In einerweiteren Variante werden in einem Zwischenschritt die Zwischenmontageeinheiten hergestellt und anschließend werden die Zwischenmontageeinheiten auf einen bereits teilweise gestapelten Stack mit gestapelten elektrochemischen Zellen aufgelegt. Vorzugsweise werden die in dem Zwischenschritt hergestellten Zwischenmontageeinheiten mit einem Roboter zu dem bereits teilweise hergestellten Stack bewegt.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden die Gasdiffusionsschichten mit wenigstens einem magnetischen Greifer während der Herstellung bewegt indem die Gasdiffusionsschichten mit magnetischen Kräften von den magnetischen Greifern angezogen werden und der wenigstens eine magnetische Greifer von einem Roboter bewegt wird. Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine magnetische Greifer je eine bestrombare Spule als Elektromagnet, sodass bei einem Durchleiten von Strom durch die Spule ein Elektromagnet vorhanden ist zur Ausbildung einer magnetischen Kraft zwischen der Spule und der Gasdiffusionsschicht und zum Bewegen der Gasdiffusionsschicht während der bestromten Spule und bei einer abgeschalteten Spule keine magnetische Kraft zwischen der Spule und der Gasdiffusionsschicht wirkt, sodass bei der abgeschalteten Spule die Gasdiffusionsschicht auf eine schichtförmige Komponente, insbesondere die Bipolarplatte, abgelegt wird oder ablegbar ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung werden die Gasdiffusionsschichten mit wenigstens einem magnetischen Greifer während der Herstellung zu den Bipolarplatten bewegt und auf die Bipolarplatten aufgelegt indem die Gasdiffusionsschichten mit magnetischen Kräften von dem wenigstens einem magnetischen Greifer angezogen werden, so dass die Zwischenmontageeinheiten gebildet werden und der wenigstens eine magnetische Greifer von einem Roboter bewegt wird.
Vorzugsweise ist der magnetische Werkstoff in den Gasdiffusionsschichten Fullerene als Modifikation des Kohlenstoffes. Fullerene sind eine Modifikation des Kohlenstoffes und weisen beispielsweise eine Summenformel von Obo oder C70 auf. Die Fullerene sind mit einem sehr hohen Druck, beispielsweise von mehr als 10 bar, 40 bar, 50 bar oder 100 bar und/oder einer hohen Temperatur, insbesondere wenigstens 50°C, 100 °C, 200 °C oder 500 °C, polymerisiert und weisen dadurch magnetische Eigenschaften auf.
In einer weiteren Variante ist der magnetische Werkstoff von Partikel aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Material, gebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfassen die Partikel als Nanopartikel das Material Eisen, insbesondere Eisenoxid, und die Nanopartikel sind in Röhrchen als Nanotubes, insbesondere in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes aus Kohlenstoff, angeordnet sind. Zweckmäßig weisen die Nanotubes einen Durchmesser kleiner als 300 nm, 200 nm oder 100 nm auf. Vorzugsweise sind die Nanotubes aus Kohlenstoff, Bornitrid oder Titandioxid ausgebildet. Vorzugsweise sind die Nanopartikel aus einem paramagnetischen Eisenoxid ausgebildet. Zweckmäßig weisen die Nanotubes einen Durchmesser zwischen 200 nm und 400 nm auf. Zweckmäßig werden die Nanopartikel mittels Gasphasenabscheidung in und/oder auf die Nanotubes aufgebracht, insbesondere auch auf Membranen, aufgebracht.
Erfindungsgemäßes Elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen vorzugsweise Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder die Gasdiffusionsschichten einen magnetischen Werkstoff umfassen, so dass die Gasdiffusionsschichten mit einer magnetischen Kraft von den Bipolarplatten angezogen sind.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weisen die Partikel aus dem magnetischen Material in den Gasdiffusionsschichten einen Durchmesser kleiner als 50 pm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 30 pm, insbesondere zwischen 5 nm und 10 pm, auf. In einer zusätzlichen Ausgestaltung sind die Partikel aus dem magnetischen Material mit einem Bindemittel und/oder Klebstoff mit den Gasdiffusionsschichten verbunden.
Vorzugsweise sind die Membranelektrodenanordnungen von je einer Protonenaustauschermembran, je einer Anode und je einer Kathode gebildet, insbesondere als CCM (catalyst coated membran) mit Katalysatormaterial in den Anoden und Kathoden.
In einerweiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit wenigstens 50, 100 oder 200 gestapelte elektrochemische Zellen.
In einerweiteren Variante wird mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene elektrochemischen Zelleneinheit hergestellt.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die elektrochemische Zelleneinheit eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Elektrolysezelleneinheit zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie. Zweckmäßig sind die Bipolarplatten als Separatorplatten ausgebildet und zwischen je einer Anode und je einer Kathode eine elektrische Isolationsschicht, insbesondere eine Protonenaustauschermembran, angeordnet ist und vorzugsweise die Elektrolysezellen jeweils einen dritten Kanal für die getrennte Durchleitung eines Kühlfluid als drittes Prozessfluid umfassen.
In einer zusätzlichen Variante ist die Elektrolysezelleneinheit zusätzlich als Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet, so dass die Elektrolysezelleneinheit eine reversible Brennstoffzelleneinheit bildet.
In einer weiteren Variante ist der erste Stoff Sauerstoff und der zweite Stoff Wasserstoff.
In einerweiteren Variante sind die Elektrolysezellen der Elektrolysezelleneinheit Brennstoffzellen.
In einerweiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit als Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit ausgebildet ist.
Erfindungsgemäßes Elektrolysesystem und/oder Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolysezelleneinheit als Elektrolysezellenstapel mit Elektrolysezellen, vorzugsweise einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, vorzugsweise eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, einen Speicherbehälter für flüssigen Elektrolyten, eine Pumpe zur Förderung des flüssigen Elektrolyten, wobei die Elektrolysezelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmelddung beschriebene Elektrolysezelleneinheit und/oder Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder die Elektrolysezelleneinheit, wenigstens eine Verbindungsvorrichtung, insbesondere mehrere Verbindungsvorrichtungen, und Spannelemente.
Zweckmäßig sind Komponenten für elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, vorzugsweise Isolationsschichten, insbesondere Protonenaustauschermembranen, Anoden, Kathoden, vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, insbesondere Separatorplatten.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen, jeweils vorzugsweise eine Isolationsschicht, insbesondere Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, vorzugsweise wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte, insbesondere wenigstens eine Separatorplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig und/oder ist als ein Spanngurt ausgebildet.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse und/oder ein Kompressor und/oder ein Druckbehälter mit Oxidationsmittel ausgebildet.
Insbesondere umfasst die elektrochemischen Zelleneinheit, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Elektrolysezelleneinheit, wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen. In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC- Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, Fig. 5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Roboters,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer ersten Bipolarplatte vor dem Auflegen einer Gasdiffusionsschicht auf die Bipolarplatte,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der ersten Bipolarplatte mit der aufgelegten Gasdiffusionsschicht und einer Membranelektrodenanordnung vor dem Auflegen auf die Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der ersten Bipolarplatte mit der nicht dargestellten aufgelegten Gasdiffusionsschicht und aufgelegter Membranelektrodenanordnung vor dem Auflegen einer zweiten Bipolarplatte auf die Membranelektrodenanordnung, Gasdiffusionsschicht und erste Bipolarplatte mit einer an einer Unterseite der zweiten Bipolarplatte angeordneten weiteren, nicht dargestellten Gasdiffusionsschicht.
In den Fig. 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H2 als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: Kathode:
02 + 4 H+ + 4 e- -» 2 H20
Anode:
2 H2 -» 4 H+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + 02 -» 2 H20
Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Brennstoffzellenstapel 1 von mehreren gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 pm bis 150 pm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H+ und sperrt andere Ionen als Protonen H+ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H+ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H2 und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O2 als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31 , 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und den Elektroden 7, 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen- Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nafion®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 (Fig. 2 und 3) wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom.
Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder einem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem Brennstoffzellenstack 1 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (Fig. 4 und 5). In Fig. 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei fluchtend gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Dichtungen 11 dichten die Gasräume 31, 32 bzw. Kanäle 12, 13 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (Fig. 1) ist Wasserstoff H2 als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (Fig. 1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Stapel als Stack der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (Fig. 6) und Membranelektrodenanordnungen 6 (Fig. 9 und 10) ausgebildet. Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten der Brennstoffzellen 2 sind scheibenförmig ausgebildet und spannen zueinander im Wesentlichen parallel ausgerichtete fiktive Ebenen 59 auf. Die fluchtenden Fluidöffnungen 41 und Dichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 59 zwischen den Fluidöffnungen 41 bilden somit einen Zuführkanal 42 für Oxidationsmittel, einen Abführkanal 43 für Oxidationsmittel, einen Zuführkanal 44 für Brennstoff, einen Abführkanal 45 für Brennstoff, einen Zuführkanal 46 für Kühlmittel und einen Abführkanal 47 für Kühlmittel. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Stapels der Brennstoffzelleneinheit 1. Der Brennstoffzellenstack 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und die zweite Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 2 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtungen 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 37 als Bolzen 38 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 38 sind mit den Spanplatten 34 verbunden.
In Fig. 6 ist die Bipolarplatte 10 der Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die Bipolarplatte 10 umfasst die Kanäle 12, 13 und 14 als drei getrennte Kanalstrukturen 29. Die Kanäle 12, 13 und 14 sind in Fig. 6 nicht gesondert dargestellt, sondern lediglich vereinfacht als Schicht einer Kanalstruktur 29. Die Fluidöffnungen 41 an den Abdichtplatten 39 der Bipolarplatten 10 und Membranelektrodenanordnungen 6 (Fig. 9 und 10) sind fluchtend gestapelt angeordnet innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 ausbilden. Dabei sind zwischen den Abdichtplatten 39 nicht dargestellte Dichtungen angeordnet zur fluiddichten Abdichtung der von den Fluidöffnungen 41 gebildeten Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47. Da die Bipolarplatte 10 auch den Gasraum 31 für Brennstoff von dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel fluiddicht abtrennt und ferner auch den Kanal 14 für Kühlmittel fluiddicht abdichtet kann für die Bipolarplatte 10 ergänzend auch der Begriff der Separatorplatte 51 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 51 subsumiert und umgekehrt. Die Kanäle 12 für Brennstoff, die Kanäle 13 für Oxidationsmittel und die Kanäle 14 für Kühlmittel der Brennstoffzelle 2 sind auch an der elektrochemische Zelle 52 ausgebildet, jedoch mit einer anderen Funktion.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H30+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab:
Kathode:
4 H30+ + 4 e- ~» 2 H2 + 4 H20
Anode:
6 H20 --» 02 + 4 H30+ + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode:
2 H20 --» 2 H2 + 02
Die Polung der Elektroden 7, 8 erfolgt mit Elektrolyse bei dem Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgekehrt (nicht dargestellt) wie bei dem Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1, so dass sich in den Kanälen 12 für Brennstoff, durch den der flüssige Elektrolyt geleitet wird, an den Kathoden Wasserstoff H2 als zweiter Stoff gebildet wird und der Wasserstoff H2 von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert wird. Analog wird durch die Kanäle 13 für Oxidationsmittel der flüssige Elektrolyt geleitet und an den Anoden in bzw. an Kanälen 13 für Oxidationsmittel Sauerstoff O2 als erster Stoff gebildet wird. Die Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzelleneinheit 1 fungieren beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 als Elektrolysezellen 50. Die Brennstoffzellen 2 und Elektrolysezellen 50 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Der gebildete Sauerstoff O2 wird von dem flüssigen Elektrolyten aufgenommen und gelöst mittransportiert. Der flüssige Elektrolyt ist in einem Speicherbehälter 54 gelagert. In Fig. 1 sind aus zeichnerischen Vereinfachungsgründen zwei Speicherbehälter 54 des Brennstoffzellensystem 4 dargestellt, welches auch als Elektrolysezellensystem 48 fungiert. Das 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 16 für Brennstoff wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 21, sondern das flüssige Elektrolyt mit einer Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 16 für Brennstoff eingeleitet wird. Ein 3-Wege-Ventil 55 an der Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel wird im Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 umgeschaltet, so dass nicht Oxidationsmittel als Luft aus der Gasfördereinrichtung 22, sondern das flüssige Elektrolyt mit der Pumpe 56 aus dem Speicherbehälter 54 in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel eingeleitet wird. Die Brennstoffzelleneinheit 1, welche auch als Elektrolysezelleneinheit 49 fungiert, weist im Vergleich zu einer nur als Brennstoffzelleneinheit 1 betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 optional Modifikationen an den Elektroden 7, 8 und der Gasdiffusionsschicht 9 auf: beispielsweise ist die Gasdiffusionsschicht 9 nicht saugfähig, so das der flüssige Elektrolyt leicht vollständig abläuft oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist nicht ausgebildet oder die Gasdiffusionsschicht 9 ist eine Struktur an der Bipolarplatte 10. Die Elektrolysezelleneinheit 49 mit dem Speicherbehälter 54, der Pumpe 56 und den Abscheidern 57, 58 und vorzugsweise dem 3-Wege- Ventil 55 bildet ein elektrochemisches Zellensystem 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelleneinheit 1 als eine alkalische Brennstoffzelleneinheit 1 ausgebildet. Als mobiler Elektrolyt wird Kalilauge als Kaliumhydroxid-Lösung eingesetzt. Die Brennstoffzellen 2 sind gestapelt angeordnet. Dabei kann ein monopolarer Zellaufbau oder ein bipolarer Zellaufbau ausgebildet sein. Die Kaliumhydroxid-Lösung zirkuliert zwischen einer Anode und Kathode und transportiert Reaktionswasser, Wärme und Verunreinigungen (Carbonate, Gelöstgase) ab. Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als reversible Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. als Elektrolysezelleneinheit 49, betrieben werden.
In Fig. 7 ist ein Roboter 61 zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 dargestellt. Der Roboter 61 umfasst Roboterarme 62 und Robotergelenke 63. An einem Endbereich eines letzten Roboterarmes 62 sind eine Prozesseinheit 65 als ein magnetischer Greifer 66 und eine Kamera 64 befestigt. Der magnetische Greifer 66 mit einer Spule als Elektromagneten ist mit einem motorisch bewegbaren Kugelgelenk (nicht dargestellt) an dem letzten Roboterarm 62 befestigt. Ein Computer 67 mit einem Prozessor und einem Datenspeicher steuert der Roboter 61. In dem Datenspeicher sind Positionsdaten zur vorgesehenen geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 und/oder zur relativen Position des Roboters 61 zu dem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit 53 gespeichert. Die Kamera 64 erfasst optisch Bilder der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 und mit einer Bildverarbeitungssoftware in dem Computer 67 wird die tatsächliche relative Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 zu dem Roboter 48 erfasst. Die Steuerung der Bewegung des Roboters 61 erfolgt somit in Abhängigkeit von den in dem Datenspeicher gespeicherten vorgesehenen Positionsdaten und/oder den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 relativ zu dem Roboter 48. Die gespeicherten Positionsdaten können somit mit den von der Bildverarbeitungssoftware bestimmten Daten zur tatsächlichen Position der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6 relativ zu dem Roboter 61 korrigiert werden, so dass in vorteilhafter weise Abweichungen in der geometrischen Anordnung der Bipolarplatten 10 und/oder Gasdiffusionsschichten 9 und/oder Protonenaustauschermembranen 5 und/oder Membranelektrodenanordnungen 6, beispielsweise aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten, keine Auswirkungen auf die Herstellung haben. Zusätzlich weist der Roboter 61 einen nicht dargestellten mechanischen Greifer auf.
Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten von elektrochemischen Zellen 52. Die schichtförmigen Komponenten sind beispielsweise bei einer Brennstoffzelleneinheit 1 eine Protonenaustauschermembran 5, eine Anode 7, eine Kathode 8, eine Gasdiffusionsschicht 9 und eine Bipolarplatte 10. Dabei bilden die Anode 7, die Kathode 8 und die Protonenaustauschermembran 5 eine Membranelektrodenanordnungen 6 bei denen in die Anode 7 und die Kathode 8 CCM (catalyst coated membrane) bei der die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich mit einem Katalysatorstoff versehen sind, sodass die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich eine Katalysatorschicht 30 bilden. Die schichtförmigen Komponenten der Brennstoffzellen 2 werden zu einem beispielsweise in Fig. 3 und 4 dargestellten Stapel als Stack gestapelt.
Die Gasdiffusionsschichten 9 werden dahingehend hergestellt und zur Verfügung gestellt, dass diese magnetischen Eigenschaften aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gasdiffusionsschichten 9 teilweise mit einem magnetischen Werkstoff versehen sind als Partikel. Diese Partikel als Nanopartikel sind in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes angeordnet. Abweichend oder zusätzlich können in den Gasdiffusionsschichten 9 auch Fullerene als Modifikation des Kohlenstoffes als ein magnetischer Werkstoff angeordnet sein. Die Bipolarplatten 10 sind im Wesentlichen aus Eisen ausgebildet und sind dadurch ebenfalls aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet.
In Fig. 8 ist ein Herstellungsschritt zur Herstellung einer Zwischenmontage einheit 70 aus der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 dargestellt.
Für die Herstellung der Zwischenmontageeinheit 70 wird von dem Roboter 61 mit einem mechanischen Greifer oder einem Saugreifer (nicht dargestellt) von einem nicht dargestellten Stapel mit Bipolarplatten 10 eine Bipolarplatte 10 auf eine nicht dargestellte Auflagefläche aufgelegt. Anschließend wird von dem Roboter 61 mit dem magnetischen Greifer 66 eine Gasdiffusionsschicht 9 von einem nicht dargestellten Stapel mit Gasdiffusionsschichten 9 angehoben indem eine Spule (nicht dargestellt) in dem magnetischen Greifer 66 bestromt wird, sodass sich dadurch Magnetkräfte ausbilden mithilfe derer die Gasdiffusionsschicht 9 angehoben werden kann aufgrund magnetischer Kräfte einerseits zwischen dem magnetischen Greifer 66 als Elektromagneten mit der bestromten Spule und andererseits dem magnetischen Werkstoff in der Gasdiffusionsschicht 9. Dabei werden mehrere Roboter 61 eingesetzt oder an einem Roboter 61 sind im Allgemeinen mehrere magnetische Greifer 66 an einem entsprechenden Gestänge angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht 9 kann dadurch ohne mechanische Beschädigung der Gasdiffusionsschicht 9 einfach auf die Bipolarplatte 10 aufgelegt werden, sodass gemäß der Darstellung in Fig. 9 die Gasdiffusionsschicht 9 auf einer Oberseite der Bipolarplatte 10 aufgelegt.
Diese in Fig. 9 dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 kann optional zu einem bereits teilweise hergestellten Stapel der Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Roboter 61 bewegt werden, beispielsweise mittels mechanischen Greifern und/oder den magnetischen Greifern 66. In Fig. 9 ist zusätzlich die Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt. In der
Membranelektrodenanordnung 6 ist die Protonenaustauschermembran 5 von einer Abdichtschicht 68 als einem Subgasket 69 umschlossen. In dem Subgasket 69 sind außerdem die Fluidöffnungen 41 ausgebildet. Die Membranelektrodenanordnung 6 in Fig. 10 bildet eine CCM, weil in die Anode 7 und die Kathode 8 Katalysatormaterial eingearbeitet ist. In einem weiteren Arbeitsschritt wird die Membranelektrodenanordnung 6 auf die Gasdiffusionsschicht 9 und auf die Bipolarplatte 10 aufgelegt, so dass die Gasdiffusionsschicht 9 zwischen der Membranelektrodenanordnung 6 und der Bipolarplatte 10 angeordnet ist gemäß der Darstellung der Zwischenmontageeinheit 70 in Fig. 10. In Fig. 10 umfasst die Zwischenmontageeinheit 70 somit die Bipolarplatte 10, die Gasdiffusionsschicht 9 und die Membranelektrodenanordnung 6. Optional kann diese Zwischenmontageeinheit 70 zu dem bereits teilweise gestalten Stapel bzw. Stack mit den Brennstoffzellen 2 mittels des Roboters 61 bewegt werden.
Abweichend hiervon kann zusätzlich auf die in Fig. 10 unten dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 mit der Bipolarplatte 10, der Gasdiffusionsschicht 9 und der Membranelektrodenanordnung 6 zusätzlich eine weitere zweite Bipolarplatte 10 aufgelegt werden. Bei der in Fig. 10 dargestellten oberen zweiten Bipolarplatte 10 liegt auf der nicht dargestellten Unterseite der Bipolarplatte 10 eine weitere zweite Gasdiffusionsschicht 9 auf. Die zweite Gasdiffusionsschicht 9 ist von magnetischen Kräften zwischen der Gasdiffusionsschicht 9 und der Bipolarplatte 10 an der Bipolarplatte 10 befestigt. Dies wurde beispielsweise dadurch erreicht, dass von dem Roboter 61 auf diese Unterseite der Bipolarplatte 10 eine Gasdiffusionsschicht 9 aufgelegt wurde und anschließend mit einem anderen Roboter 61 diese Bipolarplatte 10 mit der aufgelegten Gasdiffusionsschicht 9 um 180° gedreht wurde in die Position in Fig. 10 und anschließend mit diesem anderen Roboter 61 die Bipolarplatte 10 mit der unten aufliegenden Gasdiffusionsschicht 9 auf die in Fig. 10 dargestellte Zwischenmontageeinheit 70 aufgelegt wird. Dadurch wird eine weitere größere Zwischenmontageeinheit 70 gebildet, umfassend die erste und zweite Bipolarplatte 10 außenseitig an dieser Zwischenmontageeinheit 70 sowie den zwei Gasdiffusionsschichten 9 und der Membranelektrodenanordnung 6 als CCM, welche zwischen den zwei Gasdiffusionsschichten 9 angeordnet ist. Dieser Zwischenmontageeinheit 70 wird anschließend mit dem Roboter 61 und magnetischen Greifern 66 und/oder mechanischen Greifern zu dem nur teilweise gestapelten Stapel mit den Brennstoffzellen 2 bewegt. Diese oben beschriebenen Vorgänge werden immer wieder wiederholt bis beispielsweise eine Brennstoffzelleneinheit 1 als Stapel mit 400 Brennstoffzellen 2 hergestellt ist.
Die oben beschriebenen Vorgänge können in analoger Weise auch zur Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 verwendet werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund des magnetischen Werkstoffes in den Gasdiffusionsschichten 9 können die Gasdiffusionsschichten 9 temporär an den magnetischen Greifern 66 des Roboters 61 fixiert werden und zusätzlich treten die magnetischen Kräfte zwischen den Bipolarplatten 10 aus Stahl bzw. Eisen und den Gasdiffusionsschichten 9 auf. Die sehr gegenüber mechanischen Beschädigungen empfindlichen Gasdiffusionsschichten 9 können dadurch in vorteilhafter Weise ohne der Verwendung von mechanischen Greifern zerstörungsfrei und zuverlässig von den magnetischen Greifern 66 während des gesamten Herstellungsverfahrens mittels des Roboters 61 bewegt werden. Mechanische Greifer haben ein hohes Risiko einer mechanischen Beschädigung der empfindlichen Gasdiffusionsschichten 9. Darüber hinaus gewährleisten die magnetischen Kräfte zwischen den Bipolarplatten 10 und den Gasdiffusionsschichten 9 nach dem Auflegen der Gasdiffusionsschichten 9 auf die Bipolarplatten 10 einen Ausschluss einer Relativbewegung zwischen den Gasdiffusionsschichten 9 und den Bipolarplatten 10 in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 59. Dadurch können in vorteilhafter Weise
Zwischenmontageeinheiten 70 von dem Roboter 61 mit der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 mit einer hohen Geschwindigkeit im Raum bewegt werden ohne dass die hieraus resultierende Luftbewegung eine Relativbewegung zwischen der Bipolarplatte 10 und der Gasdiffusionsschicht 9 auslöst. Eine Nachjustierung von bereits auf die Bipolarplatte 10 aufgelegte
Gasdiffusionsschichten 9 ist somit in vorteilhafter Weise nicht mehr notwendig. Außerdem können die Gasdiffusionsschichten 9 aufgrund der magnetischen Kräfte auch an einer Unterseite der Bipolarplatte 10 für eine Optimierung des Herstellungsverfahrens mittels magnetischer Kräfte fixiert werden. Dies ermöglicht insgesamt eine sichere, zuverlässige, kostengünstige und exakte
Herstellung von elektrochemischen Zelleneinheiten 53.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) mit den Schritten: zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10), Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) dahingehend zur Verfügung gestellt werden, dass die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) auf die Bipolarplatten (10) mit einem magnetischen Werkstoff aufgelegt werden, so dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit einer magnetischen Kraft zu den Bipolarplatten (10) angezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der aus der magnetischen Kraft resultierenden Druckkraft an Kontaktflächen zwischen den Gasdiffusionsschichten (9) und den Bipolarplatten (10) eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen den Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10) hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) eine Gasdiffusionsschicht (9) aufgelegt wird, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit der einen Gasdiffusionsschicht (9) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) eine Gasdiffusionsschicht (9) und eine Membranelektrodenanordnung (6) aufgelegt werden, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit der Gasdiffusionsschicht (9) und der Membranelektrodenanordnung (6) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschicht (9) zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf je eine Bipolarplatte (10) zwei Gasdiffusionsschichten (9) und eine Membranelektrodenanordnung (6) aufgelegt werden, so dass die je eine Bipolarplatte (10) mit den zwei Gasdiffusionsschichten (9) und der Membranelektrodenanordnung (6) eine Zwischenmontageeinheit (70) bildet und in der Zwischenmontageeinheit (70) die Gasdiffusionsschichten (9) mit der magnetischen Kraft zu der je einen Bipolarplatte (10) angezogen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zwischenmontageeinheit (70) eine erste Gasdiffusionsschicht (9) zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membranelektrodenanordnung (6) angeordnet ist und die Membranelektrodenanordnung (6) zwischen der ersten und einer zweiten Gasdiffusionsschicht (9) angeordnet ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenschritt die Zwischenmontageeinheiten (70) hergestellt werden und anschließend die Zwischenmontageeinheiten (70) auf einen bereits teilweise gestapelten Stack mit gestapelten elektrochemischen Zellen (52) aufgelegt werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit wenigstens einem magnetischen Greifer (66) während der Herstellung bewegt werden indem die Gasdiffusionsschichten (9) mit magnetischen Kräften von den magnetischen Greifern (66) angezogen werden und der wenigstens eine magnetische Greifer (66) von einem Roboter (61) bewegt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit wenigstens einem magnetischen Greifer (66) während der Herstellung zu den Bipolarplatten (10) bewegt und auf die Bipolarplatten (10) aufgelegt werden indem die Gasdiffusionsschichten (9) mit magnetischen Kräften von dem wenigstens einem magnetischen Greifer (66) angezogen werden, so dass die Zwischenmontageeinheiten (70) gebildet werden und der wenigstens eine magnetische Greifer (66) von einem Roboter (61) bewegt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff in den Gasdiffusionsschichten (9) Fullerene als Moditikation des Kohlenstoffes ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff von Partikel aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen Material, gebildet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel als Nanopartikel das Material Eisen, insbesondere Eisenoxid, umfassen und die Nanopartikel sind in Röhrchen als Nanotubes, insbesondere in Kohlenstoffröhrchen als Nanotubes aus Kohlenstoff, angeordnet sind.
15. Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend
- gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und
- die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) der elektrochemischen Zellen (52) vorzugsweise Protonenaustauschermembranen (5), Anoden (7), Kathoden (8), Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist und/oder die Gasdiffusionsschichten (9) einen magnetischen Werkstoff umfassen, so dass die Gasdiffusionsschichten (9) mit einer magnetischen Kraft von den Bipolarplatten (10) angezogen sind.
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