WO2024133041A1 - Method for producing membrane electrode assemblies for an electrochemical cell unit - Google Patents

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WO2024133041A1
WO2024133041A1 PCT/EP2023/086295 EP2023086295W WO2024133041A1 WO 2024133041 A1 WO2024133041 A1 WO 2024133041A1 EP 2023086295 W EP2023086295 W EP 2023086295W WO 2024133041 A1 WO2024133041 A1 WO 2024133041A1
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electrochemical
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Martin Scherner
David Thomann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing membrane electrode assemblies with first and second subgaskets and proton exchange membranes for an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1, a method for producing an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 14 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
  • Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agents into electrical energy and water using redox reactions at an anode and cathode.
  • Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a stack.
  • a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack.
  • a gas space for oxidizing agents i.e. a flow space for passing oxidizing agents, such as air from the environment with oxygen.
  • the gas space for oxidizing agents is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus surrounded by a corresponding channel structure of a A bipolar plate is formed and the oxidizing agent, namely oxygen, passes through the gas diffusion layer to the cathodes of the fuel cells.
  • a gas space for fuel is available.
  • Electrolysis cell units made of stacked electrolysis cells are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known that can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolysis cell units. Fuel cell units and electrolysis cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolysis cells form electrochemical cells. Fuel cells therefore have channels for the process fluids fuel and oxidizing agent. Electrolysis cells have channels for the process fluids electrolytes. The electrochemical cells comprise membrane electrode arrangements.
  • proton exchange membranes are mechanically connected to subgaskets using a connecting agent.
  • the membrane electrode assemblies are made up of the anodes, cathodes, subgaskets and proton exchange membranes.
  • the connecting agent is generally adhesive.
  • the subgaskets are available as a subgasket band that is rolled up on a storage roll. To produce the separate small subgaskets, it is necessary to cut through this subgasket band. It is already known to cut through the subgasket band using a laser beam. However, significant process-related problems arise when cutting through the subgasket band using the laser beam. In particular, the cut edges are not clean and clear after cutting and problems arise with the material of the subgasket that melts away during cutting.
  • DE 102020 130 578 A1 discloses a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, in which a first support film is provided as a web material, in which cutouts are introduced into the first support film in succession and at a distance from one another, in which the first support film provided with cutouts is Processing station is fed, in which a membrane film is fed to the processing station, which comprises a web-shaped electrolyte membrane, on which catalyst layers are applied on both sides in a format, in which the membrane film is cut into membrane film cutouts in the processing station so that a peripheral edge of the electrolyte membrane is formed to the catalyst layers, in which the respective membrane film cutouts with one of the two catalyst layers are aligned to the respective cutout in the first support film and applied to the first support film, in which a second support film is provided as web material, in which cutouts are made in the second support film one after the other and at a distance from one another, in which the second support film is aligned with the respective cutouts to the catalyst layers
  • US 2022 037690 A1 discloses a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell. Laser cutting is used in the production of the membrane electrode assemblies.
  • MEA membrane electrode assembly
  • EP 2 097 943 B1 shows a method for producing fuel cell components in a roll-to-roll process. Gaskets are cut off using laser cutting at cutting stations
  • WO 2008/108898 A2 discloses a method for producing a membrane electrode arrangement. Subgaskets are cut off or openings are machined at a cutting station such as a laser cutter.
  • Membrane electrode assemblies with first and second subgaskets and Proton exchange membranes for an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit comprising the steps of: providing one proton exchange membrane each, providing a subgasket, severing the subgasket with a separating device by means of a laser beam so that a first and second subgasket are produced, arranging one proton exchange membrane each between the first and second subgaskets, connecting one proton exchange membrane each to the first and second subgaskets to form the membrane electrode arrangement, wherein the subgasket is severed with the laser beam by directing the laser beam onto a primary side of the subgasket and a focal spot of the laser beam performs a relative movement on the primary side of the subgasket during the severing and simultaneously a secondary side of the subgasket rests on a conveyor device and the secondary side of the subgasket has a surface facing the primary side opposite side of the sub
  • a movement in particular a translational and/or rotational movement, is carried out from an area of the subgasket on which the focal spot of the laser beam impinges.
  • the area of the subgasket is an area of the subgasket with the focal spot and preferably additionally an area with a distance from the focal spot that is smaller than the diameter of the focal spot.
  • a section of the subgasket rests with the secondary side on a contact surface of the conveyor device and the focal spot of the laser beam is positioned on this section and/or surrounded by this section, in particular in the circumferential direction of a conveyor device as a roller.
  • the section of the subgasket which rests with the secondary side on a contact surface of the conveyor device comprises the subgasket on and/or at a recess the conveying device and the subgasket is arranged on and/or at the recess so that the contact surface extends to the recess.
  • essentially no relative movement is carried out between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device. Essentially no slippage therefore occurs between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device.
  • Essentially no relative movement between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device preferably means that the speed of the relative movement is less than 10%, 5%, 3%, 2% or 1% of the speed, in particular rotation speed or path speed, of the contact surface of the conveyor device.
  • a movement in particular a translational and/or rotational movement, is carried out by the contact surface of the conveying device during the cutting of the subgasket with the laser beam.
  • a recess is formed on the contact surface of the conveying device and during the cutting of the subgasket with the laser beam there is no contact locally between the secondary side of the subgasket and the conveying device at the recess.
  • the relative movement on the primary side of the subgasket is carried out by the focal spot of the laser beam during the cutting process and on the secondary side of the subgasket, opposite the focal spot on the primary side, a fictitious secondary focal spot carries out a relative movement on the secondary side of the subgasket.
  • the secondary focal spot preferably has the same size and/or geometry as the focal spot.
  • the relative movement of the fictitious secondary focal spot during the cutting on the secondary side of the subgasket is carried out, in particular during the entire period of cutting with the laser beam, so that the fictitious Secondary focal spot has no fictitious contact with the conveying device, in particular with the contact surface of the conveying device.
  • the fictitious secondary focal spot of the laser beam performs a relative movement on the secondary side of the subgasket during the cutting process, so that the fictitious secondary focal spot is arranged at and/or on and/or in the recess of the conveyor device, in particular during the entire period of cutting with the laser beam.
  • the process reliability of the cutting process is thereby significantly increased because, in particular, molten subgasket can accumulate in the recess during the cutting process without thereby impairing the process reliability.
  • the conveying device is designed as a rotating roller with a radial outer side of the roller as the contact surface.
  • the recess is designed as a preferably curved longitudinal slot in the circumferential direction of the radial outside of the roller as the contact surface for severing the subgasket in the direction of movement of the subgasket.
  • the curvature of the longitudinal slot preferably corresponds to the curvature of the radial outside of the roller.
  • the recess is designed as a, preferably straight, transverse slot in the direction of a rotation axis of the roller for severing the subgasket on the contact surface perpendicular to the direction of movement of the subgasket.
  • first and/or second subgasket are produced by removing a strip as a subgasket from a storage device and separating individual first and/or second subgaskets from the strip by means of cutting with the laser beam.
  • Inventive method 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 electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells with the steps: providing layered components of the electrochemical cells, namely membrane electrode arrangements each with a proton exchange membrane, a first subgasket, a second subgasket, an anode, a cathode and preferably gas diffusion layers and bipolar plates, stacking the layered components to form electrochemical cells and a stack of the electrochemical cell unit, wherein the membrane electrode arrangements are provided by carrying out a method described in this patent application.
  • 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 stacked electrochemical cells and the electrochemical cells each comprise stacked layered components and the components of the electrochemical cells are membrane electrode arrangements each with a proton exchange membrane, a first subgasket, a second subgasket, an anode, a cathode and preferably gas diffusion layers and bipolar plates, wherein the electrochemical cell unit is produced using a method described in this patent application and/or the cut edges of the first and/or second subgaskets are fused due to thermal severing at the cut edges with a laser beam.
  • the first and/or second subgasket will be produced by incorporating a recess as an opening in each subgasket by cutting through each subgasket with the laser beam, in particular completely around the recess as an opening, in particular as a perforation and/or as a completely continuous cut.
  • the first and/or second subgasket will be produced by incorporating at least one fluid opening into each subgasket by irradiating each subgasket with the laser beam, in particular completely circumferentially at the at least one fluid opening. severed, in particular as a perforation and/or as a completely continuous cut.
  • the focal spot and/or the fictitious secondary focal spot is at a distance from the conveyor device, in particular the roller, during the entire period of cutting through the subgasket with the laser beam, in particular continuously; in particular, the distance from the conveyor device is preferably always greater than 0.5 times, 1 time, 2 times, 3 times or 5 times the maximum diameter of the focal spot and/or laser beam. Due to this sufficient distance, the cutting edge on the subgasket can be formed precisely and straight.
  • connection of each proton exchange membrane with the first and second subgasket to form the membrane electrode arrangement is carried out in a material-locking and/or form-locking manner, in particular by means of an adhesive.
  • the conveyor is designed with a straight contact surface and the conveyor is moved such that it only alternately has contact with the secondary side of the subgasket during severing and the severing is only carried out during this temporary contact.
  • the position of the subgasket and/or the subgasket belt and/or the conveyor device relative to the laser system is recorded by means of a camera and an image capture system and/or by means of the data on the movement, in particular rotational movement, of the conveyor device and/or the subgasket.
  • the data on the movement, in particular rotational movement also include data on the position, in particular rotational position, of the conveyor device and/or the subgasket.
  • the data on the movement, in particular rotational movement also include data on the speed.
  • the position of the focal spot of the laser beam on the primary side of the subgasket is controlled and/or regulated by means of the optical system of the laser system.
  • the laser beam and so that the focal spot is preferably controlled and/or regulated taking into account the movement of the subgasket and/or the conveying device and/or the position of the subgasket and/or the position of the at least one recess of the conveying device, so that the severing is carried out at the intended position of the subgasket and preferably the fictitious secondary focal spot is arranged on and/or on and/or in the recess of the conveying device, in particular during the entire duration of the severing with the laser beam.
  • the subgasket is provided as a band-shaped subgasket and/or as a subgasket band.
  • the band-shaped subgasket and/or the subgasket as a band is severed by means of the laser beam so that the first and second subgasket are produced.
  • one proton exchange membrane is provided in each case, so that the proton exchange membrane, in addition to the actual proton exchange membrane, has the anode, the cathode and preferably the catalyst layer on and/or in the anode and on and/or in the cathode as further layers.
  • the contact plates are monopolar plates and/or bipolar plates and/or end plates.
  • the electrolysis cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolysis cell unit forms a reversible fuel cell unit.
  • the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate.
  • the stack is enclosed by the housing and/or the connection plate.
  • the fuel cell unit described in this patent application additionally forms an electrolysis cell unit and preferably vice versa.
  • the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
  • the fuel cells and/or electrolysis cells are 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 an SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
  • PEM fuel cell unit with PEM fuel cells
  • SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
  • AFC alkaline fuel cell
  • the invention further comprises a computer program with program code means stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer, in particular a control and/or regulating unit, or a corresponding computing unit.
  • the invention also includes a computer program product with program code means stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer, in particular a control and/or regulating unit, or a corresponding computing unit.
  • the computer program product is a memory for storing the computer program, for example a CD, a hard disk and/or a USB stick.
  • Fig. 1 is a highly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
  • Fig. 2 is a perspective view of part of a fuel cell and electrolysis cell
  • Fig. 3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cell and electrolysis cell
  • Fig. 4 is a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and an electrolysis cell unit as a fuel cell stack and an electrolysis cell stack,
  • Fig. 5 is a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolysis cell unit as a fuel cell stack and electrolysis cell stack,
  • Fig. 6 is a perspective view of a bipolar plate
  • Fig. 7 is a perspective view of a membrane electrode assembly
  • Fig. 8 shows a partial section through a membrane electrode arrangement and two gas diffusion layers of an electrochemical cell
  • Fig. 9 shows a highly simplified longitudinal section through a machine system for producing the membrane electrode assembly
  • Fig. 10 a section through a laser system with a laser and an optical system as well as a conveyor device as a roller and the subgasket which rests on the roller,
  • Fig. 11 is a plan view of the conveyor device as a roller in a first embodiment according to Fig. 10 and
  • Fig. 12 is a plan view of the conveyor device as a roller in a second embodiment.
  • a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 is shown in Figs. 1 to 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 fed to an anode 7 as a gaseous fuel and the anode 7 forms the negative pole.
  • a gaseous oxidizing agent namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, i.e. the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent.
  • Reduction electroctron absorption
  • Oxidation as electron release is carried out at the anode 7.
  • the difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be achieved, and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are achieved.
  • 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 comprises 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 layered or disc-shaped.
  • the PEM 5 functions as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases.
  • the PEM 5 also functions as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8.
  • For 5 pm to 150 pm thick layers with expanded films with openings as a carrier layer and proton-conducting membrane materials with membrane effect attached to them are used as perfluorinated and/or sulfonated compounds for the PEM 5.
  • the PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H + .
  • the PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O 2 and hydrogen H 2 , ie it blocks the flow of oxygen O 2 and hydrogen H 2 between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H 2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O 2 as oxidizing agent.
  • the proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content.
  • the electrodes 7, 8 are located as the anode 7 and cathode 8.
  • a unit made up of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (MEA).
  • the electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5.
  • the electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and are hot-pressed into microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats.
  • a catalyst layer 30 is normally applied to the electrodes 7, 8 on the side facing the gas spaces 31, 32 (not shown).
  • the catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel at the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binding agent.
  • the catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent at the cathode 8 similarly comprises nanodisperse platinum.
  • National®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binding agents.
  • the electrodes 7, 8 are made of an ionomer, for example National®, 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 additionally function as a catalyst layer 30 due to the platinum-containing carbon particles.
  • Membrane electrode arrangements 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode arrangements 6 as CCM (catalyst coated membrane).
  • a gas diffusion layer 9 is placed on the anode 7 and the cathode 8.
  • the gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly to the catalyst layer 30 on the anode 7.
  • the gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from channels 13 for oxidant evenly to the catalyst layer 30 on the cathode 8.
  • the GDL 9 also draws off reaction water in the opposite direction to the flow direction of the reaction gases, ie in one direction from the catalyst layer 30 to the Channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current.
  • the GDL 9 is constructed, for example, from a hydrophobic carbon paper as a carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as a microporous layer.
  • a bipolar plate 10 rests on the GDL 9.
  • the electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for draining water 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 a 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 oxidizing agents is formed by channels 13.
  • the material used for the bipolar plates 10 is, for example, metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite.
  • a fuel cell unit 1 In a fuel cell unit 1, several fuel cells 2 are arranged in a flush stack (Fig. 4 and 5).
  • Fig. 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged in a flush stack.
  • Hydrogen H2 is stored as fuel in a compressed gas reservoir 21 (Fig. 1) at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar.
  • a compressed gas reservoir 21 Fig. 1
  • the fuel is led 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 led to an injector 19.
  • the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar.
  • the fuel is fed to a fuel supply line 16 (Fig. 1) and from the supply line 16 to the fuel channels 12, which form the fuel channel structure 29.
  • the fuel thereby 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 at the anode 7. After flowing through the channels 12, the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and, if applicable, Water from a controlled humidification of the anode 7 is drained from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
  • a gas conveying device 22 for example designed as a blower 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agents.
  • the air is fed from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, 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 not used at the cathode 8 and the reaction water 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 as separate lines in Fig. 1 for the sake of simplicity.
  • aligned fluid openings 41 are formed on sealing plates 39 as an extension at the end region 40 of the superimposed bipolar plates 10 (Fig.
  • the fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span fictitious planes 59 that are essentially parallel to one another.
  • the aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the fictitious planes 59 between the fluid openings 41 thus form a supply channel 42 for oxidizing agent, a discharge channel 43 for oxidizing agent, a supply channel 44 for fuel, a discharge channel 45 for fuel, 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 cell stack 65 of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines.
  • the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the cell stack 65 of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 inside the cell stack 65 of the fuel cell unit 1.
  • the Fuel cell unit 1 together with the compressed gas storage 21 and the gas conveying device 22 forms a fuel cell system 4.
  • the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34.
  • a first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2.
  • the fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in Fig. 4 and 5 for reasons of clarity.
  • the clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, i.e. the first clamping plate 35 rests with a compressive force on the first fuel cell 2 and the second clamping plate 36 rests with a compressive force on the last fuel cell 2.
  • the fuel cell stack 2 is thus clamped in order to ensure the 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 low 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.
  • Fig. 6 shows the bipolar plate 10 of the fuel cell 2.
  • the bipolar plate 10 comprises the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29.
  • the channels 12, 13 and 14 are not shown separately in Fig. 6, but rather simply as a layer of a channel structure 29.
  • the fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 (Fig. 6) and on the subgaskets 62 of the membrane electrode assemblies 6 (Fig. 7) are arranged in an aligned stack within the fuel cell unit 1, so that supply 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 bipolar plate 10 Since the bipolar plate 10 also separates the gas space 31 for fuel from the gas space 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the bipolar plate 10 can also be used the term separator plate for fluid-tight separation of process fluids can be chosen. The term separator plate is therefore also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa.
  • the channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidizing agents 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 electrolysis cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1.
  • electrolysis cell unit 49 forms a reversible fuel cell unit 1.
  • 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 is reversed (not shown) with electrolysis when operating as an electrolysis cell unit 49 as when operating as a fuel cell unit 1, so that hydrogen H 2 is formed as a second substance at the cathodes in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is passed, and the hydrogen H 2 is absorbed by the liquid electrolyte and transported along in dissolved form.
  • the liquid electrolyte is passed through the channels 13 for oxidizing agents in the same way and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or on the channels 13 for oxidizing agents.
  • Fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 function as electrolysis cells 50 when operating as an electrolysis cell unit 49.
  • the fuel cells 2 and electrolysis cells 50 thus form electrochemical cells 52.
  • Fig. 1 shows two storage containers 54 of the fuel cell system 4, which also functions as an electrolysis cell system 48.
  • the 3-way valve 55 on the feed line 16 for fuel is switched over when operating as an electrolysis cell unit 49, so that not fuel from the compressed gas storage 21, but the liquid electrolyte is fed from the storage container 54 into the feed line 16 for fuel using a pump 56.
  • a 3-way valve 55 on the oxidizing agent supply line 25 is switched over during operation as an electrolysis cell unit 49, so that not oxidizing agent as air from the gas conveyor 22, but the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is introduced into the oxidizing agent supply line 25.
  • the fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains off 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 electrolysis cell unit 49 with the storage container 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms an 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 pressure gas storage 21 by a compressor (not shown).
  • the electrolyte discharged from the separator 57 for hydrogen is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte by a line.
  • 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 fed into the pressure gas storage 21 by a compressor (not shown). Compressor in a compressed gas storage tank for oxygen (not shown).
  • the oxygen in the compressed gas storage tank for oxygen can optionally be used for operating the fuel cell unit 1 by sliding the oxygen into the feed line 25 for oxidizing agent via a line (not shown) when operating as a fuel cell unit 1.
  • the electrolyte derived from the oxygen separator 58 is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte via a line.
  • the channels 12, 13 and the discharge and feed lines 15, 16, 25, 26 are designed such that after use as an electrolysis cell unit 49 and the pump 56 is switched off, the liquid electrolyte flows completely back 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 to completely remove the liquid electrolyte before gaseous fuel and oxidizing agent are passed through.
  • the fuel cells 2 and the electrolysis cells 2 thus form electrochemical cells 52.
  • the fuel cell unit 1 and the electrolysis 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 passing the liquid electrolyte through when operating as an electrolysis cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26.
  • an electrolysis cell unit 49 normally does not require channels 14 for passing coolant through.
  • the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolytes and the channels 13 for oxidizer also form channels 13 for passing fuel and/or electrolytes.
  • the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1. Potassium hydroxide solution is used as the mobile electrolyte.
  • the fuel cells 2 are arranged in a stack. 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).
  • the fuel cell unit 1 can also be operated as a reversible fuel cell unit 1, ie as an electrolysis cell unit 49.
  • Contact plates 51 can be designed as monopolar plates, bipolar plates 10 or end plates. Monopolar plates have only one uniform pole on both sides, so that in a fuel cell unit 1 with monopolar plates, the monopolar plates are to be connected to other monopolar plates with an electrical power line. End plates are arranged at one end of the cell stack.
  • the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 of electrochemical cells 52 are first provided.
  • the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 are, for example, in a fuel cell unit 1, 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 together with first and second subgaskets
  • the subgaskets 62 are films which separate the fuel in the gas space 31 for fuel from the oxidant in the gas space 32 for oxidant and support and tension the membrane electrode arrangement 6 without subgaskets 62, 63, 64, i.e. essentially the proton exchange membrane 5.
  • the subgaskets 62 are made, for example, from PEEK (polyetheretherketone) or PPS (polyphenylene sulfide).
  • the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 of the fuel cells 2 are stacked to form a cell stack 65, for example shown in Fig. 3 and 4.
  • the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 have been provided, the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63,
  • Fig. 8 a partial section through the membrane electrode arrangement 5 and two gas diffusion layers 9 of the electrochemical cells 52 is shown.
  • the electrochemical cell 52 has a total of 2 subgaskets 62, ie a first subgasket 63 and a second subgasket 64.
  • the first subgasket 63 and the second subgasket 64 are firmly bonded to one another using an adhesive 78.
  • the anode 7 has an outer side 79 which is substantially parallel to the fictitious plane 59.
  • the cathode 8 has an outer side 80 which is oriented substantially parallel to the fictitious plane 59.
  • the first subgasket 63 is connected to this edge region of the outer side 79 with the adhesive 78, so that this adhesive 78 on the outer side 79 also forms a connecting means 71 for mechanically connecting the first subgasket 63 to the anode 7.
  • the outer side 80 of the cathode 8 is materially connected to the second subgasket 64 with the adhesive 78, so that the adhesive 78 on the outer side 80 of the cathode 8 also forms the connecting means 71.
  • the first and second subgaskets 63, 64 have a substantially rectangular recess 75 (Fig. 7) at which the anode 7 and cathode 8 each protrude into the gas space 31, 32 for the electrochemical reaction. This rectangular recess 75 as opening 75 is delimited by ends 66 of the first subgasket 63 and the second subgasket 64 and these ends 66 of the first and second subgaskets 63, 64 rest on the anode 7 and the cathode 8.
  • Fig. 9 shows a machine system for carrying out a method for producing the membrane electrode assembly 6.
  • the machine system comprises two bearing devices 94 as bearing rollers 95 for the subgasket 62 as a band 93.
  • the band-shaped subgasket 62, 93 is unrolled from the bearing rollers 95 with a device not shown to the band 93 of the subgasket 62 as a subgasket band 93 and on the bearing roller 95 more than 50, 100 or 300 first and second substantially rectangular subgaskets 62 are connected to one another.
  • the proton exchange membrane 5 is rolled up as a band 98 on a bearing device 96 as a bearing roller 97, so that a large number, for example more than 50, 100 or 300, essentially rectangular proton exchange membranes 5 are arranged on the proton exchange membrane band 98, connected to one another as a proton exchange membrane band 98.
  • the first and second subgasket bands 93 and the proton exchange membrane band 98 are simultaneously unrolled from the bearing rollers 95, 97.
  • the first subgasket band 93 is unrolled from a first bearing device 94 for the first subgasket band 93 and the second subgasket band 93 is unrolled from the second bearing device 94.
  • the term subgasket 62 also includes the subgasket band 93.
  • the laser system 74 includes a laser 72 and an optical system 73 (Fig. 10).
  • the optical system 73 includes at least one mirror and/or at least one lens (not shown).
  • the laser 72 emits a laser beam 81, which is deflected by the optical system 73.
  • the subgasket band 93 and also the first and second subgaskets 63, 64 have a primary side 84 and a secondary side 85 (Figs.
  • the primary side 84 is formed opposite the secondary side 85.
  • the primary side 84 faces the laser beam 81, so that the laser beam 81 striking the primary side 84 forms a focal spot 82.
  • Fictitiously opposite the focal spot 82 is a fictitious secondary focal spot 83 on the secondary side 85 of the subgasket 62 and the subgasket band 93.
  • the energy of the electromagnetic radiation of the laser beam 81 heats the subgasket 62 locally at the focal spot 82, so that due to the high temperature of the subgasket 62 and the subgasket band 93 at the focal spot 82, the latter is severed, i.e. cut off.
  • the focal spot 82 of the laser beam 81 performs a relative movement on the primary side 84 of the subgasket 62 while the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 is being severed.
  • the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 rests on a contact surface 89 of the conveyor device 86 as the roller 87.
  • the contact surface 89 is a partial surface a radial outer side 100 of the roller 87.
  • the roller 87 executes a rotational movement about the rotation axis 99 during the cutting, so that the radial outer side 100 and thus also the contact surface 89 execute a rotational movement. Due to the resting of the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93, i.e.
  • the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 also locally executes this rotational movement about the rotation axis 99 simultaneously and essentially identically, so that essentially no relative movement occurs between the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 and the contact surface 89 of the roller 87.
  • an area 88 of the subgasket 62 in the vicinity of the focal spot 82 also carries out this movement as a rotational movement.
  • Recesses 90 are machined into the radial outer side 100 of the roller 87 as straight or curved slots.
  • the recesses 90 are designed as recesses 91 in the circumferential direction of the radial outer side 100 of the roller 87 (Fig. 12) and/or as recesses 92 in the direction of the rotation axis 99 of the roller 87 (Figs. 11 and 12).
  • the focal spot 82 simultaneously carries out the relative movement on the primary side 84 in such a way that the fictitious secondary focal spot 83 is constantly arranged and positioned at and/or on and/or in a recess 90 during the cutting process.
  • the fictitious secondary focal spot 83 thus has no fictitious contact with the radial outer side 100 and thus with the contact surface 89 of the roller 87 during the cutting. This lack of contact of the fictitious secondary focal spot 83 with the conveyor device 86 as the roller 87 is necessary so that a
  • Cutting edge 67 is cleanly formed without defects after severing and molten material of the subgasket 62 can collect in the recess 90 for good process safety and process reliability.
  • the severing takes place on a straight cutting edge 67 with a straight recess 90, without taking into account the curvature of the radial outer side 100 of the roller 87, so that the recess 91 is considered to be straight in the circumferential direction in this respect.
  • the Recesses 90 are curved (not shown) without taking into account the curvature of the radial outer side 100 of the roller 87.
  • the melted material is removed from the at least one recess 90 simultaneously during the cutting, for example by means of compressed air and/or a mechanical cleaning device, in particular a rotating mechanical cleaning device.
  • the 2 subgasket bands 93 After the 2 subgasket bands 93 have been unrolled or unwound from the 2 storage devices 94, they are each completely severed with the laser beam 81 in the transverse direction, i.e. in the direction of the rotation axis 99 of the roll 87, as described above, so that the separate first and second subgaskets 63, 64 are formed.
  • the laser system 74 also cuts six fluid openings 41 into each first subgasket 62, 63 with the laser beam 81 and also a perforation for the large opening 75 as the recess 75 for the proton exchange membrane 5, so that the proton exchange membrane 5 is accessible through the opening 75 for the process fluids for the electrochemical reaction after the later complete severing of the perforation.
  • This severing is carried out for one subgasket 63, 64 each with 2 laser systems 74 and 2 conveyor devices 86.
  • the two laser systems 74 and the conveyor device 86 are arranged one after the other in the direction of movement of the subgaskets 63, 64 (Fig. 9).
  • the proton exchange membrane band 98 is cut off by a separating device 101 as a cutting roller 102 and a further driven roller is arranged under the cutting roller 102 so that the proton exchange membrane band 98 is guided between the cutting roller 102 and the further roller so that these also function as a conveyor device for unwinding the proton exchange membrane band 98 from the bearing roller 97.
  • the cutting roller 102 cuts off individual, essentially rectangular sections from the proton exchange membrane band 99 and these cut sections form the individual proton exchange membranes 5.
  • the device 103 for example a laminating roller 103, for connecting the cut Proton exchange membranes 5 are connected to the first subgasket 63 cut off by means of the laser beam 81, the proton exchange membranes 5 are connected to the first subgasket 63.
  • the connection is carried out in a material-locking and/or form-locking manner, for example by gluing, embossing and/or hot lamination.
  • the second subgasket 64 is then placed on the first subgasket 63 and the individual proton exchange membranes 5 that have already been cut off, so that the fluid openings 41 and the
  • Recesses 75 as openings 75 in the first and second subgaskets 62, 63, 64 are aligned and thus the proton exchange membranes 5 are arranged between the first and second subgaskets 62, 63, 64.
  • the first and second subgaskets 63, 64 and the proton exchange membranes 5 are connected to one another by laminating and/or embossing, i.e. in a material-locking and/or form-locking manner.
  • the areas of the first and second subgaskets 63, 64 enclosed by the perforation are removed from the first and second subgaskets 63, 64, i.e. the perforations made with the laser system 74 are completely severed, in particular torn through during removal, so that the proton exchange membranes 5 are accessible at the recesses 75 as openings 55.
  • the device 69 is designed, for example, as a tear-off roller 70 or a vacuum suction device or a vacuum roller.
  • the membrane electrode arrangements 6 are then transported away by a conveyor belt 68, each with a first subgasket 63, a second subgasket 64, a proton exchange membrane 5, an anode 7 and a cathode 8.
  • the above processes are carried out continuously and simultaneously and are preferably monitored, controlled and/or regulated with cameras and image processing software in a control and/or regulating unit (not shown), in particular with regard to the positions of the proton exchange membranes 5 and the first and second subgaskets 63, 64 as the first and second subgaskets 63, 64 to one another and the relative position of the focal spot 82 on the primary side 84 of the subgasket 62, 63, 64.
  • the first and second subgaskets 63, 64 are provided as a subgasket belt 93 with the separate Proton exchange membranes 5 are materially connected and only after passing through the device 69 for removal and/or lifting does the complete severing in the transverse direction of the first and second subgasket bands 93 take place, so that after the device 69 a further laser system 74 and the conveying device 86 are arranged as the separating device (not shown).
  • the subgasket 62 is cut through to produce the membrane electrode arrangement 6 exclusively using the laser beam 81 from the laser system 74. Mechanical cutting tools are therefore advantageously not necessary, so that no wear can occur on the non-existent mechanical cutting tool.
  • Different geometries on subgaskets 62, 63, 64 can be made without complex changes to mechanical tools, for example by simply making an adjustment in the software for controlling the relative movement of the focal spot 81 on the primary side 84 of the subgasket 62.
  • the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 can be cut through precisely with a clear and straight cutting edge 67 with a high level of process reliability.

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Abstract

The invention relates to a method for producing membrane electrode assemblies (6) comprising first and second subgaskets (62, 63, 64) and proton exchanger membranes (5) for an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49), comprising the following steps: making available in each case one associated proton exchanger membrane (5), making available a subgasket (62, 93), severing the subgasket (62, 93) by means of a laser beam (81) using a separating device, with the result that a first and a second subgasket (62, 63, 64) are produced, arranging the associated proton exchanger membrane (5) between the respectively associated first and second subgaskets (62, 63, 64), connecting the associated proton exchanger membrane (5) to the respectively associated first and second subgaskets (62, 63, 64) to form the membrane electrode assembly (6), wherein the subgasket (62, 93) is severed by the laser beam (81) by virtue of the fact that the laser beam (81) is directed at a primary side (84) of the subgasket (62, 93) and, during the severing, a focal spot (82) of the laser beam (81) carries out a relative movement on the primary side (84) of the subgasket (62, 93) and, simultaneously, a secondary side (85) of the subgasket (62, 93) bears on a conveying device (86) and the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) is an opposite side of the subgasket (62, 93) with respect to the primary side (84).

Description

Beschreibung Description
Titel Title
Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen für eine elektrochemische Zelleneinheit Method for producing membrane electrode assemblies for an electrochemical cell unit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Subgaskets und Protonenaustauschermembranen für eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine elektrochemische Zelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15 The present invention relates to a method for producing membrane electrode assemblies with first and second subgaskets and proton exchange membranes for an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 1, a method for producing an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 14 and an electrochemical cell unit according to the preamble of claim 15.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet. Fuel cell units as galvanic cells convert continuously supplied fuel and oxidizing agents into electrical energy and water using redox reactions at an anode and cathode. Fuel cells are used in a wide variety of stationary and mobile applications, for example in houses without a connection to a power grid or in motor vehicles, in rail transport, in aviation, in space travel and in shipping. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a stack.
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 den Kathoden der Brennstoffzellen. In analoger Weise ist ein Gasraum für Brennstoff vorhanden. In fuel cell units, a large number of fuel cells are arranged in a fuel cell stack. Within each fuel cell there is a gas space for oxidizing agents, i.e. a flow space for passing oxidizing agents, such as air from the environment with oxygen. The gas space for oxidizing agents is formed by channels on the bipolar plate and by a gas diffusion layer for a cathode. The channels are thus surrounded by a corresponding channel structure of a A bipolar plate is formed and the oxidizing agent, namely oxygen, passes through the gas diffusion layer to the cathodes of the fuel cells. In an analogous manner, a gas space for fuel is available.
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. Brennstoffzellen weisen somit Kanäle für die Prozessfluide Brennstoff und Oxidationsmittel auf. Elektrolysezellen weisen Kanäle für die Prozessfluide Elektrolyten auf. Die elektrochemischen Zellen umfassen Membranelektrodenanordnungen. Electrolysis cell units made of stacked electrolysis cells, similar to fuel cell units, are used, for example, for the electrolytic production of hydrogen and oxygen from water. Furthermore, fuel cell units are known that can be operated as reversible fuel cell units and thus as electrolysis cell units. Fuel cell units and electrolysis cell units form electrochemical cell units. Fuel cells and electrolysis cells form electrochemical cells. Fuel cells therefore have channels for the process fluids fuel and oxidizing agent. Electrolysis cells have channels for the process fluids electrolytes. The electrochemical cells comprise membrane electrode arrangements.
In den Membranelektrodenanordnungen sind Protonenaustauschermembranen mit einem Verbindungsmittel mechanisch mit Subgaskets verbunden. Die Membranelektrodenanordnungen sind aus den Anoden, Kathoden, Subgaskets und Protonenaustauschermembranen aufgebaut. Das Verbindungsmittel ist im Allgemeinen Klebstoff. Die Subgaskets liegen vor der Herstellung der Membranelektrodenanordnungen als ein Subgasketband vor, welches auf einer Lagerrolle aufgerollt ist. Für die Herstellung der separaten kleinen Subgaskets ist es notwendig, dieses Subgasketband zu Durchtrennen. Dabei ist es bereits bekannt, dieses Durchtrennen des Subgaskets mit einem Laserstrahl auszuführen. Während des Durchtrennens des Subgasketbandes mit dem Laserstrahl treten jedoch erhebliche prozesstechnischen Probleme auf, insbesondere sind die Schnittkanten nach dem Durchtrennen nicht sauber und klar gearbeitet und es treten Probleme mit dem während des Durchtrennens abgeschmolzenen Materials des Subgaskets auf. In the membrane electrode assemblies, proton exchange membranes are mechanically connected to subgaskets using a connecting agent. The membrane electrode assemblies are made up of the anodes, cathodes, subgaskets and proton exchange membranes. The connecting agent is generally adhesive. Before the membrane electrode assemblies are manufactured, the subgaskets are available as a subgasket band that is rolled up on a storage roll. To produce the separate small subgaskets, it is necessary to cut through this subgasket band. It is already known to cut through the subgasket band using a laser beam. However, significant process-related problems arise when cutting through the subgasket band using the laser beam. In particular, the cut edges are not clean and clear after cutting and problems arise with the material of the subgasket that melts away during cutting.
Die DE 102020 130 578 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, bei dem eine erste Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird, bei dem in die erste Stützfolie aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte eingebracht werden, bei dem die mit Ausschnitten versehene erste Stützfolie einer Bearbeitungsstation zugeführt wird, bei dem eine Membranfolie der Bearbeitungsstation zugeführt wird, welche eine bahnförmige Elektrolytmembran umfasst, auf welcher beidseitig in einem Format Katalysatorschichten aufgebracht sind, bei dem die Membranfolie in der Bearbeitungsstation in Membranfolienzuschnitte zugeschnitten wird, sodass ein umlaufender Rand der Elektrolytmembran zu den Katalysatorschichten gebildet wird, bei dem die jeweiligen Membranfolienzuschnitte mit einer der beiden Katalysatorschichten zu dem jeweiligen Ausschnitt in der ersten Stützfolie ausgerichtet und auf die erste Stützfolie aufgebracht werden, bei dem eine zweite Stützfolie als Bahnmaterial bereitgestellt wird, bei dem in die zweite Stützfolie aufeinanderfolgend und mit Abstand zueinander Ausschnitte eingebracht werden, bei dem die zweite Stützfolie mit den jeweiligen Ausschnitten zu den der ersten Stützfolie gegenüberliegenden Katalysatorschichten der Membranfolienzuschnitte auf der ersten Stützfolie ausgerichtet und aufgebracht wird und bei dem die erste und zweite Stützfolie und die dazwischen angeordneten Membranfolienzuschnitte fest miteinander zu einem Folienverbund verbunden werden. In die erste und zweite Stützfolie als Subgasket werden Ausschnitte mit Laserschneiden eingearbeitet. DE 102020 130 578 A1 discloses a method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell, in which a first support film is provided as a web material, in which cutouts are introduced into the first support film in succession and at a distance from one another, in which the first support film provided with cutouts is Processing station is fed, in which a membrane film is fed to the processing station, which comprises a web-shaped electrolyte membrane, on which catalyst layers are applied on both sides in a format, in which the membrane film is cut into membrane film cutouts in the processing station so that a peripheral edge of the electrolyte membrane is formed to the catalyst layers, in which the respective membrane film cutouts with one of the two catalyst layers are aligned to the respective cutout in the first support film and applied to the first support film, in which a second support film is provided as web material, in which cutouts are made in the second support film one after the other and at a distance from one another, in which the second support film is aligned with the respective cutouts to the catalyst layers of the membrane film cutouts opposite the first support film and applied to the first support film, and in which the first and second support films and the membrane film cutouts arranged therebetween are firmly connected to one another to form a film composite. Cutouts are laser-cut into the first and second support films as subgaskets.
Die US 2022 037690 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membran Elektroden Anordnung (MEA) für eine Brennstoffzelle. Bei der Herstellung der Membran Elektroden Anordnungen wird Laserschneiden eingesetzt. US 2022 037690 A1 discloses a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) for a fuel cell. Laser cutting is used in the production of the membrane electrode assemblies.
Die EP 2 097 943 B1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Brennstoffzellen- Bestandteilen in einem Roll-to-Roll-Prozess. Dabei werden Gaskets mit Laserschneiden an Schneidstationen abgeschnitten EP 2 097 943 B1 shows a method for producing fuel cell components in a roll-to-roll process. Gaskets are cut off using laser cutting at cutting stations
Die WO 2008/108898 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Membranelektrodenanordnung. Subgaskets werden mit an einer Schneidstation als einem Laserschneider abgeschnitten oder Öffnungen eingearbeitet. WO 2008/108898 A2 discloses a method for producing a membrane electrode arrangement. Subgaskets are cut off or openings are machined at a cutting station such as a laser cutter.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung vonInventive process for producing
Membranelektrodenanordnungen mit ersten und zweiten Subgaskets und Protonenaustauschermembranen für eine elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit mit den Schritten: zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran, zur Verfügung stellen eines Subgaskets, Durchtrennen des Subgaskets mit einer Trennvorrichtung mittels eines Laserstrahls, so dass ein erstes und zweites Subgasket hergestellt werden, Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket, Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran mit dem je ersten und je zweiten Subgasket zu der Membranelektrodenanordnung, wobei das Subgasket mit dem Laserstrahl durchtrennt wird indem der Laserstrahl auf eine primäre Seite des Subgaskets gerichtet wird und von einem Brennfleck des Laserstrahls während des Durchtrennens eine Relativbewegung auf der primären Seite des Subgaskets ausgeführt wird und simultan eine sekundäre Seite des Subgaskets auf einer Fördervorrichtung aufliegt und die sekundäre Seite des Subgaskets eine zu der primären Seite gegenüberliegende Seite des Subgaskets ist. Das Durchtrennen ist ein Schneiden. Membrane electrode assemblies with first and second subgaskets and Proton exchange membranes for an electrochemical cell unit for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising the steps of: providing one proton exchange membrane each, providing a subgasket, severing the subgasket with a separating device by means of a laser beam so that a first and second subgasket are produced, arranging one proton exchange membrane each between the first and second subgaskets, connecting one proton exchange membrane each to the first and second subgaskets to form the membrane electrode arrangement, wherein the subgasket is severed with the laser beam by directing the laser beam onto a primary side of the subgasket and a focal spot of the laser beam performs a relative movement on the primary side of the subgasket during the severing and simultaneously a secondary side of the subgasket rests on a conveyor device and the secondary side of the subgasket has a surface facing the primary side opposite side of the subgasket. Severing is a cutting operation.
In einer weiteren Ausführungsform wird während des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl von einem Bereich des Subgaskets, an welchem der Brennfleck des Laserstrahls auftrifft, eine Bewegung, insbesondere eine Translations- und/oder Rotationsbewegung, ausgeführt. Vorzugsweise ist der Bereich des Subgaskets ein Bereich des Subgaskets mit dem Brennfleck und vorzugsweise zusätzlich ein Bereich mit einem Abstand zu dem Brennfleck kleiner als der Durchmesser des Brennfleckes. In a further embodiment, during the cutting through of the subgasket with the laser beam, a movement, in particular a translational and/or rotational movement, is carried out from an area of the subgasket on which the focal spot of the laser beam impinges. Preferably, the area of the subgasket is an area of the subgasket with the focal spot and preferably additionally an area with a distance from the focal spot that is smaller than the diameter of the focal spot.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung liegt während des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl ein Abschnitt des Subgaskets mit der sekundären Seite auf einer Kontaktfläche der Fördervorrichtung auf und der Brennfleck des Laserstrahls an diesem Abschnitt positioniert ist und/oder umgeben von diesem Abschnitt, insbesondere in Umfangsrichtung einer Fördervorrichtung als Rolle, positioniert ist. Vorzugsweise umfasst der Abschnitt des Subgaskets, der mit der sekundären Seite auf einer Kontaktfläche der Fördervorrichtung aufliegt, das Subgasket auf und/oder an einer Ausnehmung der Fördervorrichtung und das Subgasket ist auf und/oder an der Ausnehmung angeordnet, so dass sich die Kontaktfläche bis zu der Ausnehmung erstreckt. In an additional embodiment, during the cutting of the subgasket with the laser beam, a section of the subgasket rests with the secondary side on a contact surface of the conveyor device and the focal spot of the laser beam is positioned on this section and/or surrounded by this section, in particular in the circumferential direction of a conveyor device as a roller. Preferably, the section of the subgasket which rests with the secondary side on a contact surface of the conveyor device comprises the subgasket on and/or at a recess the conveying device and the subgasket is arranged on and/or at the recess so that the contact surface extends to the recess.
In einer ergänzenden Variante wird während des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl zwischen der sekundären Seite des Subgaskets und der Kontaktfläche der Fördervorrichtung im Wesentlichen keine Relativbewegung ausgeführt. Zwischen der sekundären Seite des Subgaskets und der Kontaktfläche der Fördervorrichtung tritt damit im Wesentlichen kein Schlupf auf. Im Wesentlichen keine Relativbewegung zwischen der sekundären Seite des Subgaskets und der Kontaktfläche der Fördervorrichtung bedeutet vorzugsweise, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung kleiner ist als 10 %, 5 %, 3 %, 2 % oder 1 % der Geschwindigkeit, insbesondere Rotationsgeschwindigkeit oder Bahngeschwindigkeit, der Kontaktfläche der Fördervorrichtung. In a supplementary variant, during the cutting of the subgasket with the laser beam, essentially no relative movement is carried out between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device. Essentially no slippage therefore occurs between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device. Essentially no relative movement between the secondary side of the subgasket and the contact surface of the conveyor device preferably means that the speed of the relative movement is less than 10%, 5%, 3%, 2% or 1% of the speed, in particular rotation speed or path speed, of the contact surface of the conveyor device.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird während des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl von der Kontaktfläche der Fördervorrichtung eine Bewegung, insbesondere eine Translations- und/oder Rotationsbewegung, ausgeführt. In an additional embodiment, a movement, in particular a translational and/or rotational movement, is carried out by the contact surface of the conveying device during the cutting of the subgasket with the laser beam.
Vorzugsweise ist an der Kontaktfläche der Fördervorrichtung eine Ausnehmung ausgebildet und während des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl lokal zwischen der sekundären Seite des Subgaskets und der Fördervorrichtung an der Aussparung kein Kontakt vorhanden ist. Preferably, a recess is formed on the contact surface of the conveying device and during the cutting of the subgasket with the laser beam there is no contact locally between the secondary side of the subgasket and the conveying device at the recess.
In einer weiteren Ausführungsform wird von dem Brennfleck des Laserstrahl während des Durchtrennens die Relativbewegung auf der primären Seite des Subgaskets ausgeführt und auf der sekundären Seite des Subgaskets, gegenüberliegend zu dem Brennfleck auf der primären Seite, ein fiktiver Sekundärbrennfleck eine Relativbewegung auf der sekundären Seite des Subgaskets ausführt. Vorzugsweise weist der Sekundärbrennfleck die gleiche Größe und/oder Geometrie auf wie der Brennfleck. In a further embodiment, the relative movement on the primary side of the subgasket is carried out by the focal spot of the laser beam during the cutting process and on the secondary side of the subgasket, opposite the focal spot on the primary side, a fictitious secondary focal spot carries out a relative movement on the secondary side of the subgasket. The secondary focal spot preferably has the same size and/or geometry as the focal spot.
In einer ergänzenden Variante die Relativbewegung des fiktiven Sekundärbrennfleckes während des Durchtrennens auf der sekundären Seite des Subgaskets dahingehend ausgeführt wird, insbesondere während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens mit dem Laserstrahl, so dass der fiktive Sekundärbrennfleck keinen fiktiven Kontakt zu der Fördervorrichtung, insbesondere zu der Kontaktfläche der Fördervorrichtung, aufweist. In a supplementary variant, the relative movement of the fictitious secondary focal spot during the cutting on the secondary side of the subgasket is carried out, in particular during the entire period of cutting with the laser beam, so that the fictitious Secondary focal spot has no fictitious contact with the conveying device, in particular with the contact surface of the conveying device.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung führt der fiktive Sekundärbrennfleckes des Laserstrahl während des Durchtrennens eine Relativbewegung auf der sekundären Seite des Subgaskets dahingehend aus, so dass der fiktive Sekundärbrennfleck, insbesondere während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens mit dem Laserstrahl, an und/oder auf und/oder in der Ausnehmung der Fördervorrichtung angeordnet ist. Die Prozesssicherheit des Durchtrennens wird dadurch wesentlich erhöht, weil insbesondere geschmolzener Subgasket während des Durchtrennens sich in der Ausnehmung anlagern kann ohne dadurch die Prozesssicherheit zu beeinträchtigen. In an additional embodiment, the fictitious secondary focal spot of the laser beam performs a relative movement on the secondary side of the subgasket during the cutting process, so that the fictitious secondary focal spot is arranged at and/or on and/or in the recess of the conveyor device, in particular during the entire period of cutting with the laser beam. The process reliability of the cutting process is thereby significantly increased because, in particular, molten subgasket can accumulate in the recess during the cutting process without thereby impairing the process reliability.
Insbesondere ist die Fördervorrichtung als eine rotierende Rolle ausgebildet mit einer radialen Außenseite der Rolle als der Kontaktfläche. In particular, the conveying device is designed as a rotating roller with a radial outer side of the roller as the contact surface.
In einer ergänzenden Variante ist die Ausnehmung als ein, vorzugsweise gekrümmter, Längsschlitz in Umfangsrichtung der radialen Außenseite der Rolle als der Kontaktfläche ausgebildet zum Durchtrennen des Subgaskets in Bewegungsrichtung des Subgaskets. Vorzugsweise entspricht die Krümmung des Längsschlitzes der Krümmung der radialen Außenseite der Rolle. In a supplementary variant, the recess is designed as a preferably curved longitudinal slot in the circumferential direction of the radial outside of the roller as the contact surface for severing the subgasket in the direction of movement of the subgasket. The curvature of the longitudinal slot preferably corresponds to the curvature of the radial outside of the roller.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausnehmung als ein, vorzugsweise gerader, Querschlitz in Richtung einer Rotationsachse der Rolle ausgebildet zum Durchtrennen des Subgaskets auf der Kontaktfläche senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Subgaskets. In a further embodiment, the recess is designed as a, preferably straight, transverse slot in the direction of a rotation axis of the roller for severing the subgasket on the contact surface perpendicular to the direction of movement of the subgasket.
In einer zusätzlichen Variante werden das erste und/oder zweite Subgasket hergestellt indem ein Band als Subgasket von einer Lagervorrichtung entnommen wird und von dem Band einzelne erste und/oder zweite Subgaskets abgetrennt werden mittels des Durchtrennens mit dem Laserstrahl. In an additional variant, the first and/or second subgasket are produced by removing a strip as a subgasket from a storage device and separating individual first and/or second subgaskets from the strip by means of cutting with the laser beam.
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 Membranelektrodenanordnungen mit je einer Protonenaustauschermembran, je einem ersten Subgasket, je einem zweiten Subgasket, je einer Anode, je einer Kathode und vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Stapeln der schichtförmigen Komponenten zu elektrochemischen Zellen und zu einem Stack der elektrochemischen Zelleneinheit, wobei die Membranelektrodenanordnungen zur Verfügung gestellt werden indem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausgeführt wird. Inventive method 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 electrolysis cell unit with stacked electrochemical cells with the steps: providing layered components of the electrochemical cells, namely membrane electrode arrangements each with a proton exchange membrane, a first subgasket, a second subgasket, an anode, a cathode and preferably gas diffusion layers and bipolar plates, stacking the layered components to form electrochemical cells and a stack of the electrochemical cell unit, wherein the membrane electrode arrangements are provided by carrying out a method described in this patent application.
Erfindungsgemäße elektrochemische Zelleneinheit zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit, umfassend gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen und die elektrochemischen Zellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten umfassen und die Komponenten der elektrochemischen Zellen Membranelektrodenanordnungen mit je einer Protonenaustauschermembran, je einem ersten Subgasket, je einem zweiten Subgasket, je einer Anode, je einer Kathode und vorzugsweise Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind, wobei die elektrochemische Zelleneinheit mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt ist und/oder die Schnittkanten der ersten und/oder zweiten Subgaskets verschmolzen sind aufgrund thermischen Durchtrennens an den Schnittkanten mit einem Laserstrahl. Electrochemical cell unit according to the invention for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit, comprising stacked electrochemical cells and the electrochemical cells each comprise stacked layered components and the components of the electrochemical cells are membrane electrode arrangements each with a proton exchange membrane, a first subgasket, a second subgasket, an anode, a cathode and preferably gas diffusion layers and bipolar plates, wherein the electrochemical cell unit is produced using a method described in this patent application and/or the cut edges of the first and/or second subgaskets are fused due to thermal severing at the cut edges with a laser beam.
In einer ergänzenden Variante wird das erste und/oder zweite Subgasket hergestellt werden indem in je ein Subgasket je eine Aussparung als Öffnung eingearbeitet wird indem das je eine Subgasket mit dem Laserstrahl, insbesondere vollständig umlaufend an der je einen Aussparung als Öffnung, durchtrennt wird, insbesondere als Perforation und/oder als vollständig durchgehender Schnitt. In a supplementary variant, the first and/or second subgasket will be produced by incorporating a recess as an opening in each subgasket by cutting through each subgasket with the laser beam, in particular completely around the recess as an opening, in particular as a perforation and/or as a completely continuous cut.
In einer weiteren Ausführungsform wird das erste und/oder zweite Subgasket hergestellt werden indem in je ein Subgasket wenigstens eine Fluidöffnung eingearbeitet wird indem das je eine Subgasket mit dem Laserstrahl, insbesondere vollständig umlaufend an der wenigstens einen Fluidöffnung, durchtrennt wird, insbesondere als Perforation und/oder als vollständig durchgehender Schnitt. In a further embodiment, the first and/or second subgasket will be produced by incorporating at least one fluid opening into each subgasket by irradiating each subgasket with the laser beam, in particular completely circumferentially at the at least one fluid opening. severed, in particular as a perforation and/or as a completely continuous cut.
In einer weiteren Variante weist der Brennfleck und/oder der fiktive Sekundärbrennfleck während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens des Subgaskets mit dem Laserstrahl, insbesondere kontinuierlich, einen Abstand zu der Fördervorrichtung, insbesondere der Rolle, auf, insbesondere ist der Abstand zu der Fördervorrichtung, vorzugsweise stets, größer als das 0,5-Fache, 1- Fache, 2-Fache, 3-Fache oder 5-Fache des maximalen Durchmessers des Brennfleckes und/oder Laserstrahls. Aufgrund dieses ausreichenden Abstandes kann die Schnittkante an dem Subgasket genau und gerade ausgebildet werden. In a further variant, the focal spot and/or the fictitious secondary focal spot is at a distance from the conveyor device, in particular the roller, during the entire period of cutting through the subgasket with the laser beam, in particular continuously; in particular, the distance from the conveyor device is preferably always greater than 0.5 times, 1 time, 2 times, 3 times or 5 times the maximum diameter of the focal spot and/or laser beam. Due to this sufficient distance, the cutting edge on the subgasket can be formed precisely and straight.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran mit dem je ersten und je zweiten Subgasket zu der Membranelektrodenanordnung stoffschlüssig und/oder formschlüssig, insbesondere mittels Klebstoff, ausgeführt. In a supplementary embodiment, the connection of each proton exchange membrane with the first and second subgasket to form the membrane electrode arrangement is carried out in a material-locking and/or form-locking manner, in particular by means of an adhesive.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Fördervorrichtung ausgebildet mit einer geraden Kontaktfläche und die Fördervorrichtung wird dahingehend bewegt, dass diese nur abwechselnd Kontakt zu der sekundären Seite des Subgaskets während des Durchtrennens aufweist und das Durchtrennen nur während dieses temporären Kontaktes ausgeführt wird. In an additional embodiment, the conveyor is designed with a straight contact surface and the conveyor is moved such that it only alternately has contact with the secondary side of the subgasket during severing and the severing is only carried out during this temporary contact.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird die Position des Subgaskets und/oder des Subgasketbandes und/oder der Fördervorrichtung relativ zu dem Lasersystem erfasst mittels einer Kamera und einem Bilderfassungssystem und/oder mittels der Daten zu der Bewegung, insbesondere Rotationsbewegung, der Fördervorrichtung und/oder des Subgaskets. Dabei umfassen die Daten zu der Bewegung, insbesondere Rotationsbewegung, auch Daten zur Position, insbesondere Rotationsposition, der Fördervorrichtung und/oder des Subgaskets. Dabei umfassen die Daten zu der Bewegung, insbesondere Rotationsbewegung, auch Daten zur Geschwindigkeit. In an additional embodiment, the position of the subgasket and/or the subgasket belt and/or the conveyor device relative to the laser system is recorded by means of a camera and an image capture system and/or by means of the data on the movement, in particular rotational movement, of the conveyor device and/or the subgasket. The data on the movement, in particular rotational movement, also include data on the position, in particular rotational position, of the conveyor device and/or the subgasket. The data on the movement, in particular rotational movement, also include data on the speed.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Position des Brennfleckes des Laserstrahls auf der primären Seite des Subgaskets mittels des optischen Systems des Lasersystems gesteuert und/oder geregelt. Der Laserstahl und damit der Brennfleck wird vorzugsweise unter Berücksichtigung der Bewegung des Subgaskets und/oder der Fördervorrichtung und/oder der Position des Subgaskets und/oder der Position der wenigstens einen Ausnehmung der Fördervorrichtung dahingehend gesteuert und/oder geregelt, so dass das Durchtrennen an der vorgesehenen Position des Subgaskets ausgeführt wird und vorzugsweise der fiktive Sekundärbrennfleck, insbesondere während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens mit dem Laserstrahl, an und/oder auf und/oder in der Ausnehmung der Fördervorrichtung angeordnet ist. In a further embodiment, the position of the focal spot of the laser beam on the primary side of the subgasket is controlled and/or regulated by means of the optical system of the laser system. The laser beam and so that the focal spot is preferably controlled and/or regulated taking into account the movement of the subgasket and/or the conveying device and/or the position of the subgasket and/or the position of the at least one recess of the conveying device, so that the severing is carried out at the intended position of the subgasket and preferably the fictitious secondary focal spot is arranged on and/or on and/or in the recess of the conveying device, in particular during the entire duration of the severing with the laser beam.
In einer weiteren Variante wir das Subgasket als bandförmiges Subgasket und/oder als ein Subgasketband zur Verfügung gestellt. In a further variant, the subgasket is provided as a band-shaped subgasket and/or as a subgasket band.
In einer ergänzenden Variante wird das bandförmiges Subgasket und/oder das Subgasket als Band mittels des Laserstrahls durchtrennt, so dass das erste und zweite Subgasket hergestellt werden. In a supplementary variant, the band-shaped subgasket and/or the subgasket as a band is severed by means of the laser beam so that the first and second subgasket are produced.
In einer weiteren Variante wird die je eine Protonenaustauschermembran zur Verfügung gestellt, so dass die Protonenaustauschermembran neben der eigentlichen Protonenaustauschermembran als weitere Schichten die Anode, die Kathode und vorzugsweise jeweils auf der und/oder in der Anode und jeweils auf der und/oder in der Kathode die Katalysatorschicht ausgebildet ist. In a further variant, one proton exchange membrane is provided in each case, so that the proton exchange membrane, in addition to the actual proton exchange membrane, has the anode, the cathode and preferably the catalyst layer on and/or in the anode and on and/or in the cathode as further layers.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst dieIn a supplementary embodiment, the
Protonenaustauschermembran als Band und/oder die bandförmige Protonenaustauschermembran neben der eigentlichen Protonenaustauschermembran als weitere Schichten die Anode, die Kathode und vorzugsweise auf der und/oder in der Anode und auf der und/oder in der Kathode die Katalysatorschicht angeordnet ist und/oder vorzugsweise die Katalysatorschicht in die Kathode und Anode integriert ist. Proton exchange membrane as a band and/or the band-shaped proton exchange membrane in addition to the actual proton exchange membrane as further layers the anode, the cathode and preferably on the and/or in the anode and on the and/or in the cathode the catalyst layer is arranged and/or preferably the catalyst layer is integrated into the cathode and anode.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktplatten Monopolarplatten und/oder Bipolarplatten und/oder Endplatten. In a further embodiment, the contact plates are monopolar plates and/or bipolar plates and/or end plates.
In einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens 90% der elektrochemischen Zellen, insbesondere sämtliche elektrochemischen Zellen, der elektrochemischen Zelleneinheit wie in dieser Schutzrechtsanmeldung beschrieben ausgebildet. 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 a further embodiment, at least 90% of the electrochemical cells, in particular all electrochemical cells, of the electrochemical cell unit are designed as described in this patent application. In an additional variant, the electrolysis cell unit is additionally designed as a fuel cell unit, in particular a fuel cell unit described in this patent application, so that the electrolysis cell unit forms a reversible fuel cell unit.
In einer weiteren Variante umfasst die elektrochemische Zelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Anschlussplatte. Der Stapel ist von dem Gehäuse und/oder der Anschlussplatte umschlossen. In a further variant, the electrochemical cell unit comprises a housing and/or a connection plate. The stack is enclosed by the housing and/or the connection plate.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit zusätzlich eine Elektrolysezelleneinheit und vorzugsweise umgekehrt. In a further embodiment, the fuel cell unit described in this patent application additionally forms an electrolysis cell unit and preferably vice versa.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas. Preferably the fuel is hydrogen, hydrogen-rich gas, reformate gas or natural gas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet. Advantageously, the fuel cells and/or electrolysis cells are essentially flat and/or disc-shaped.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff. In a complementary variant, the oxidizing agent is air with oxygen or pure oxygen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen oder eine SOFC-Brennstoffzelleneinheit mit SOFC- Brennstoffzellen oder eine alkalische Brennstoffzelle (AFC). Preferably, the fuel cell unit is a PEM fuel cell unit with PEM fuel cells or an SOFC fuel cell unit with SOFC fuel cells or an alkaline fuel cell (AFC).
Erfindungsgemäßes computerimplementiertes Verfahren umfassend Schritte des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens. Computer-implemented method according to the invention comprising steps of the method described in this patent application.
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, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, 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, insbesondere einer Steuerungs- und/oder Regeleinheit, oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird. Das Computerprogrammprodukt ist ein Speicher zum Speichern des Computerprogramms, beispielsweise eine CD, eine Festplatte und/oder ein USB- Stick. The invention further comprises a computer program with program code means stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer, in particular a control and/or regulating unit, or a corresponding computing unit. The invention also includes a computer program product with program code means stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer, in particular a control and/or regulating unit, or a corresponding computing unit. The computer program product is a memory for storing the computer program, for example a CD, a hard disk and/or a USB stick.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Short description of the drawings
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: In the following, embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines elektrochemischen Zellensystems als Brennstoffzellensystem und Elektrolysezellensystem mit Komponenten einer elektrochemischen Zelle als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, Fig. 1 is a highly simplified exploded view of an electrochemical cell system as a fuel cell system and electrolysis cell system with components of an electrochemical cell as a fuel cell and electrolysis cell,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, Fig. 2 is a perspective view of part of a fuel cell and electrolysis cell,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch elektrochemische Zellen als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle, Fig. 3 a longitudinal section through electrochemical cells as fuel cell and electrolysis cell,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, Fig. 4 is a perspective view of an electrochemical cell unit as a fuel cell unit and an electrolysis cell unit as a fuel cell stack and an electrolysis cell stack,
Fig. 5 eine Seitenansicht der elektrochemischen Zelleneinheit als Brennstoffzelleneinheit und Elektrolysezelleneinheit als Brennstoffzellenstapel und Elektrolysezellenstapel, Fig. 5 is a side view of the electrochemical cell unit as a fuel cell unit and electrolysis cell unit as a fuel cell stack and electrolysis cell stack,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Bipolarplatte, Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Membranelektrodenanordnung, Fig. 6 is a perspective view of a bipolar plate, Fig. 7 is a perspective view of a membrane electrode assembly,
Fig. 8 einen Teilschnitt durch eine Membranelektrodenanordnung und zwei Gasdiffusionsschichten einer elektrochemischen Zelle, Fig. 8 shows a partial section through a membrane electrode arrangement and two gas diffusion layers of an electrochemical cell,
Fig. 9 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch ein Maschinensystem zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung, Fig. 9 shows a highly simplified longitudinal section through a machine system for producing the membrane electrode assembly,
Fig. 10 einen Schnitt durch ein Lasersystem mit einem Laser und einem optischen System sowie einer Fördervorrichtung als einer Rolle sowie dem Subgasket, der auf der Rolle aufliegt, Fig. 10 a section through a laser system with a laser and an optical system as well as a conveyor device as a roller and the subgasket which rests on the roller,
Fig. 11 eine Draufsicht der Fördervorrichtung als Rolle in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 und Fig. 11 is a plan view of the conveyor device as a roller in a first embodiment according to Fig. 10 and
Fig. 12 eine Draufsicht der Fördervorrichtung als Rolle in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Fig. 12 is a plan view of the conveyor device as a roller in a second embodiment.
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. The basic structure of a fuel cell 2 as a PEM fuel cell 3 (polymer electrolyte fuel cell 3) is shown in Figs. 1 to 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 fed to an anode 7 as a gaseous fuel and the anode 7 forms the negative pole. A gaseous oxidizing agent, namely air with oxygen, is fed to a cathode 8, i.e. the oxygen in the air provides the necessary gaseous oxidizing agent. Reduction (electron absorption) takes place at the cathode 8. Oxidation as electron release is carried out at the anode 7.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten: The redox equations of the electrochemical processes are:
Kathode: Cathode:
O2 + 4 H+ + 4 e- -» 2 H2O O 2 + 4 H + + 4 e- -» 2 H 2 O
Anode: 2 H2 -» 4 H+ + 4 e- Anode: 2 H 2 -» 4 H + + 4 e-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H2 + O2 -» 2 H2O Total reaction equation of cathode and anode: 2 H 2 + O 2 -» 2 H 2 O
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. The difference between the normal potentials of the electrode pairs under standard conditions as a reversible fuel cell voltage or open circuit voltage of the unloaded fuel cell 2 is 1.23 V. This theoretical voltage of 1.23 V is not achieved in practice. In the idle state and with small currents, voltages of over 1.0 V can be achieved, and when operating with larger currents, voltages between 0.5 V and 1.0 V are achieved. 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.
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 für 5 pm bis 150 pm dicke, Schichten mit expandierten Folien mit Öffnungen als Trägerschicht und daran angelagerte protonenleitende Membranstoffe mit Membranwirkung als perfluorierte und/oder sulfonierte Verbindungen für die PEM 5 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-, Glasfaseroder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht (nicht dargestellt). Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nation®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt. The fuel cell 2 also comprises a proton exchange membrane 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), which is arranged between the anode 7 and the cathode 8. The anode 7 and cathode 8 are layered or disc-shaped. The PEM 5 functions as an electrolyte, catalyst carrier and separator for the reaction gases. The PEM 5 also functions as an electrical insulator and prevents an electrical short circuit between the anode 7 and cathode 8. In general, for 5 pm to 150 pm thick layers with expanded films with openings as a carrier layer and proton-conducting membrane materials with membrane effect attached to them are used as perfluorinated and/or sulfonated compounds for the PEM 5. The PEM 5 conducts the protons H + and essentially blocks ions other than protons H + , so that charge transport can take place due to the permeability of the PEM 5 for the protons H + . The PEM 5 is essentially impermeable to the reaction gases oxygen O 2 and hydrogen H 2 , ie it blocks the flow of oxygen O 2 and hydrogen H 2 between a gas space 31 at the anode 7 with fuel hydrogen H 2 and the gas space 32 at the cathode 8 with air or oxygen O 2 as oxidizing agent. The proton conductivity of the PEM 5 increases with increasing temperature and increasing water content. On the two sides of the PEM 5, each facing the gas spaces 31, 32, the electrodes 7, 8 are located as the anode 7 and cathode 8. A unit made up of the PEM 5 and the electrodes 7, 8 is referred to as a membrane electrode assembly 6 (MEA). The electrodes 7, 8 are pressed with the PEM 5. The electrodes 7, 8 are platinum-containing carbon particles that are bound to PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene copolymer), PFA (perfluoroalkoxy), PVDF (polyvinylidene fluoride) and/or PVA (polyvinyl alcohol) and are hot-pressed into microporous carbon fiber, glass fiber or plastic mats. A catalyst layer 30 is normally applied to the electrodes 7, 8 on the side facing the gas spaces 31, 32 (not shown). The catalyst layer 30 on the gas space 31 with fuel at the anode 7 comprises nanodisperse platinum-ruthenium on graphitized soot particles that are bound to a binding agent. The catalyst layer 30 on the gas space 32 with oxidizing agent at the cathode 8 similarly comprises nanodisperse platinum. For example, Nation®, a PTFE emulsion or polyvinyl alcohol are used as binding agents.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem Ionomer, beispielsweise Nation®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem Ionomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H+ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das Ionomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membran). Deviating from this, the electrodes 7, 8 are made of an ionomer, for example Nation®, platinum-containing carbon particles and additives. These electrodes 7, 8 with the ionomer are electrically conductive due to the carbon particles and also conduct the protons H + and additionally function as a catalyst layer 30 due to the platinum-containing carbon particles. Membrane electrode arrangements 6 with these electrodes 7, 8 comprising the ionomer form membrane electrode arrangements 6 as CCM (catalyst coated membrane).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier als Träger- und Substratschicht und einer gebundenen Kohlepulverschicht als mikroporöser Schicht (microporous layer) aufgebaut. A gas diffusion layer 9 (GDL) is placed on the anode 7 and the cathode 8. The gas diffusion layer 9 on the anode 7 distributes the fuel from channels 12 for fuel evenly to the catalyst layer 30 on the anode 7. The gas diffusion layer 9 on the cathode 8 distributes the oxidant from channels 13 for oxidant evenly to the catalyst layer 30 on the cathode 8. The GDL 9 also draws off reaction water in the opposite direction to the flow direction of the reaction gases, ie in one direction from the catalyst layer 30 to the Channels 12, 13. Furthermore, the GDL 9 keeps the PEM 5 moist and conducts the current. The GDL 9 is constructed, for example, from a hydrophobic carbon paper as a carrier and substrate layer and a bonded carbon powder layer as a microporous layer.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase als Prozessfluide durch die Kanalstrukturen 29 und/oder Flussfelder 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 als Kanalstruktur 29 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels als Prozessfluid eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe und/oder Graphit eingesetzt. A bipolar plate 10 rests on the GDL 9. The electrically conductive bipolar plate 10 serves as a current collector, for draining water 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. To dissipate the waste heat, channels 14 are incorporated into the bipolar plate 10 as a channel structure 29 for conducting a liquid or gaseous coolant as a 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 oxidizing agents is formed by channels 13. The material used for the bipolar plates 10 is, for example, metal, conductive plastics and composite materials and/or graphite.
In einer Brennstoffzelleneinheit 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. In a fuel cell unit 1, several fuel cells 2 are arranged in a flush stack (Fig. 4 and 5). Fig. 1 shows an exploded view of two fuel cells 2 arranged in a flush stack.
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. Seals 11 seal the gas spaces 31, 32 or channels 12, 13 in a fluid-tight manner. Hydrogen H2 is stored as fuel in a compressed gas reservoir 21 (Fig. 1) at a pressure of, for example, 350 bar to 700 bar. From the compressed gas reservoir 21, the fuel is led 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. From the medium-pressure line 17, the fuel is led to an injector 19. At the injector 19, the pressure of the fuel is reduced to an injection pressure of between 1 bar and 3 bar. From the injector 19, the fuel is fed to a fuel supply line 16 (Fig. 1) and from the supply line 16 to the fuel channels 12, which form the fuel channel structure 29. The fuel thereby 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 at the anode 7. After flowing through the channels 12, the fuel not consumed in the redox reaction at the anode 7 and, if applicable, Water from a controlled humidification of the anode 7 is drained from the fuel cells 2 through a discharge line 15.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in Fig. 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt. Am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 sind im Zellenstack 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 fluchtende Fluidöffnungen 41 an Abdichtplatten 39 als Verlängerung am Endbereich 40 der aufeinander liegender Bipolarplatten 10 (Fig. 6) und an den Subgaskets 62 der Membranelektrodenanordnungen 6 (Fig. 7) 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 Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 sind als Prozessfluidleitungen ausgebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 außerhalb des Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1 münden in die Zuführ- und Abführkanäle 42, 43, 44, 45, 46, 47 innerhalb des Zellenstacks 65 der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4. A gas conveying device 22, for example designed as a blower 23 or a compressor 24, conveys air from the environment as an oxidizing agent into a supply line 25 for oxidizing agents. The air is fed from the supply line 25 to the channels 13 for oxidizing agents, which form a channel structure 29 on the bipolar plates 10 for oxidizing agents, so that the oxidizing agent flows through the gas space 32 for the oxidizing agent. The gas space 32 for the oxidizing agent is formed by the channels 13 and the GDL 9 on the cathode 8. After flowing through the channels 13 or the gas space 32 for the oxidizing agent 32, the oxidizing agent not used at the cathode 8 and the reaction water 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 as separate lines in Fig. 1 for the sake of simplicity. At the end region near the channels 12, 13, 14 in the cell stack 65 of the fuel cell unit 1, aligned fluid openings 41 are formed on sealing plates 39 as an extension at the end region 40 of the superimposed bipolar plates 10 (Fig. 6) and on the subgaskets 62 of the membrane electrode arrangements 6 (Fig. 7). The fuel cells 2 and the components of the fuel cells 2 are disk-shaped and span fictitious planes 59 that are essentially parallel to one another. The aligned fluid openings 41 and seals (not shown) in a direction perpendicular to the fictitious planes 59 between the fluid openings 41 thus form a supply channel 42 for oxidizing agent, a discharge channel 43 for oxidizing agent, a supply channel 44 for fuel, a discharge channel 45 for fuel, 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 cell stack 65 of the fuel cell unit 1 are designed as process fluid lines. The supply and discharge lines 15, 16, 25, 26, 27, 28 outside the cell stack 65 of the fuel cell unit 1 open into the supply and discharge channels 42, 43, 44, 45, 46, 47 inside the cell stack 65 of the fuel cell unit 1. The Fuel cell unit 1 together with the compressed gas storage 21 and the gas conveying device 22 forms a fuel cell system 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine erste Spannplatte 35 liegt auf der ersten Brennstoffzelle 2 auf und eine zweiten Spannplatte 36 liegt auf der letzten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 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 the fuel cell unit 1, the fuel cells 2 are arranged between two clamping elements 33 as clamping plates 34. A first clamping plate 35 rests on the first fuel cell 2 and a second clamping plate 36 rests on the last fuel cell 2. The fuel cell unit 1 comprises approximately 200 to 400 fuel cells 2, which are not all shown in Fig. 4 and 5 for reasons of clarity. The clamping elements 33 apply a compressive force to the fuel cells 2, i.e. the first clamping plate 35 rests with a compressive force on the first fuel cell 2 and the second clamping plate 36 rests with a compressive force on the last fuel cell 2. The fuel cell stack 2 is thus clamped in order to ensure the 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 low as possible. In order to clamp the fuel cells 2 with the clamping elements 33, four connecting devices 37 are designed as bolts 38 on the fuel cell unit 1, which are subjected to tensile stress. The four bolts 38 are connected to the chipboards 34.
In 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 (Fig. 6) und an den Subgaskets 62 der Membranelektrodenanordnungen 6 (Fig. 7) 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. Fig. 6 shows the bipolar plate 10 of the fuel cell 2. The bipolar plate 10 comprises the channels 12, 13 and 14 as three separate channel structures 29. The channels 12, 13 and 14 are not shown separately in Fig. 6, but rather simply as a layer of a channel structure 29. The fluid openings 41 on the sealing plates 39 of the bipolar plates 10 (Fig. 6) and on the subgaskets 62 of the membrane electrode assemblies 6 (Fig. 7) are arranged in an aligned stack within the fuel cell unit 1, so that supply 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.
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 zur fluiddichten Trennung bzw. Separierung von Prozessfluiden gewählt werden. Damit wird unter dem Begriff der Bipolarplatte 10 auch der Begriff der Separatorplatte 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. Since the bipolar plate 10 also separates the gas space 31 for fuel from the gas space 32 for oxidizing agent in a fluid-tight manner and also seals the channel 14 for coolant in a fluid-tight manner, the bipolar plate 10 can also be used the term separator plate for fluid-tight separation of process fluids can be chosen. The term separator plate is therefore also subsumed under the term bipolar plate 10 and vice versa. The channels 12 for fuel, the channels 13 for oxidizing agents and the channels 14 for coolant of the fuel cell 2 are also formed on the electrochemical cell 52, but with a different function.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 kann auch als Elektrolysezelleneinheit 49 eingesetzt und betrieben werden, d. h. bildet eine reversible Brennstoffzelleneinheit 1. Im Nachfolgenden werden einige Merkmale beschrieben, die den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 als Elektrolysezelleneinheit 49 ermöglichen. Für die Elektrolyse wird ein flüssiger Elektrolyt, nämlich stark verdünnte Schwefelsäure mit einer Konzentration von ungefähr c (H2SO4) = 1 mol/l, verwendet. Eine ausrechende Konzentration von Oxoniumionen H30+ in dem flüssigen Elektrolyten ist notwendig für die Elektrolyse. The fuel cell unit 1 can also be used and operated as an electrolysis cell unit 49, ie forms a reversible fuel cell unit 1. Some features are described below which enable the operation of the fuel cell unit 1 as an electrolysis cell unit 49. A liquid electrolyte, namely highly diluted sulfuric acid with a concentration of approximately c (H2SO4) = 1 mol/l, is used for the electrolysis. A sufficient concentration of oxonium ions H 3 0 + in the liquid electrolyte is necessary for the electrolysis.
Bei der Elektrolyse laufen die nachfolgenden Redoxreaktionen ab: During electrolysis, the following redox reactions occur:
Kathode: Cathode:
4 H3O+ + 4 e- -» 2 H2 + 4 H2O 4 H 3 O + + 4 e- -» 2 H 2 + 4 H 2 O
Anode: Anode:
6 H2O — » O2 + 4 H3O+ + 4 e' 6 H 2 O — » O 2 + 4 H 3 O + + 4 e'
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: Total reaction equation of cathode and anode:
2 H2O -» 2 H2 + O2 2 H 2 O -» 2 H 2 + O 2
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. The polarity of the electrodes 7, 8 is reversed (not shown) with electrolysis when operating as an electrolysis cell unit 49 as when operating as a fuel cell unit 1, so that hydrogen H 2 is formed as a second substance at the cathodes in the channels 12 for fuel, through which the liquid electrolyte is passed, and the hydrogen H 2 is absorbed by the liquid electrolyte and transported along in dissolved form. The liquid electrolyte is passed through the channels 13 for oxidizing agents in the same way and oxygen O 2 is formed as the first substance at the anodes in or on the channels 13 for oxidizing agents. Fuel cells 2 of the fuel cell unit 1 function as electrolysis cells 50 when operating as an electrolysis cell unit 49. The fuel cells 2 and electrolysis cells 50 thus form electrochemical cells 52. The oxygen O2 formed is absorbed by the liquid electrolyte and transported along in dissolved form. The liquid electrolyte is stored in a storage container 54. For reasons of simplifying the drawing, Fig. 1 shows two storage containers 54 of the fuel cell system 4, which also functions as an electrolysis cell system 48. The 3-way valve 55 on the feed line 16 for fuel is switched over when operating as an electrolysis cell unit 49, so that not fuel from the compressed gas storage 21, but the liquid electrolyte is fed from the storage container 54 into the feed line 16 for fuel using a pump 56. A 3-way valve 55 on the oxidizing agent supply line 25 is switched over during operation as an electrolysis cell unit 49, so that not oxidizing agent as air from the gas conveyor 22, but the liquid electrolyte with the pump 56 from the storage tank 54 is introduced into the oxidizing agent supply line 25. The fuel cell unit 1, which also functions as an electrolysis cell unit 49, has optional modifications to the electrodes 7, 8 and the gas diffusion layer 9 compared to a fuel cell unit 1 that can only be operated as a fuel cell unit 1: for example, the gas diffusion layer 9 is not absorbent, so that the liquid electrolyte easily drains off 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 electrolysis cell unit 49 with the storage container 54, the pump 56 and the separators 57, 58 and preferably the 3-way valve 55 forms an electrochemical cell system 60.
An der Abführleitung 15 für Brennstoff ist ein Abscheider 57 für Wasserstoff angeordnet. Der Abscheider 57 scheidet aus dem Elektrolyten mit Wasserstoff den Wasserstoff ab und der abgeschiedene Wasserstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in den Druckgasspeicher 21 eingeleitet. Der aus dem Abscheider 57 für Wasserstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. An der Abführleitung 26 für Brennstoff ist ein Abscheider 58 für Sauerstoff angeordnet. Der Abscheider 58 scheidet aus dem Elektrolyten mit Sauerstoff den Sauerstoff ab und der abgeschiedene Sauerstoff wird mit einem nicht dargestellten Verdichter in einem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff eingeleitet. Der Sauerstoff in dem nicht dargestellten Druckgasspeicher für Sauerstoff kann optional für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 genutzt werden indem mit einer nicht dargestellten Leitung der Sauerstoff in die Zuführleitung 25 für Oxidationsmittel gleitet wird beim Betrieb als Brennstoffzelleneinheit 1. Der aus dem Abscheider 58 für Sauerstoff abgeleitete Elektrolyt wird anschließend wieder dem Speicherbehälter 54 für den Elektrolyten mit einer Leitung zugeführt. Die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 sind dahingehend ausgebildet, dass nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und dem Abschalten der Pumpe 56 der flüssige Elektrolyt wieder vollständig in den Speicherbehälter 54 zurück läuft aufgrund der Schwerkraft. Optional wird nach der Verwendung als Elektrolysezelleneinheit 49 und vor der Verwendung als Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Kanäle 12, 13 und die Abführ- und Zuführleitungen 15, 16, 25, 26 ein Inertgas durchgeleitet zum vollständigen Entfernen des flüssigen Elektrolyten vor dem Durchleiten von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Brennstoffzellen 2 und die Elektrolysezellen 2 bilden damit elektrochemische Zellen 52. Die Brennstoffzelleneinheit 1 und die Elektrolysezelleneinheit 49 bilden somit eine elektrochemische Zelleneinheit 53. Die Kanäle 12 für Brennstoff und der Kanäle für Oxidationsmittel bilden damit Kanäle 12, 13 zum Durchleiten des flüssigen Elektrolyten beim Betrieb als Elektrolysezelleneinheit 49 und dies gilt analog für die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26. Eine Elektrolysezelleneinheit 49 benötigt aus prozesstechnischen Gründen normalerweise keine Kanäle 14 zum Durchleiten von Kühlmittel. In einer elektrochemischen Zelleneinheit 49 bilden die Kanäle 12 für Brennstoff auch Kanäle 12 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten und die Kanäle 13 für Oxidationsmittel bilden auch Kanäle 13 zum Durchleiten von Brennstoff und/oder Elektrolyten. A separator 57 for hydrogen is arranged on the discharge line 15 for fuel. The separator 57 separates the hydrogen from the electrolyte with hydrogen and the separated hydrogen is introduced into the pressure gas storage 21 by a compressor (not shown). The electrolyte discharged from the separator 57 for hydrogen is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte by a line. 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 fed into the pressure gas storage 21 by a compressor (not shown). Compressor in a compressed gas storage tank for oxygen (not shown). The oxygen in the compressed gas storage tank for oxygen (not shown) can optionally be used for operating the fuel cell unit 1 by sliding the oxygen into the feed line 25 for oxidizing agent via a line (not shown) when operating as a fuel cell unit 1. The electrolyte derived from the oxygen separator 58 is then fed back to the storage container 54 for the electrolyte via a line. The channels 12, 13 and the discharge and feed lines 15, 16, 25, 26 are designed such that after use as an electrolysis cell unit 49 and the pump 56 is switched off, the liquid electrolyte flows completely back into the storage container 54 due to gravity. Optionally, after use as an electrolysis cell unit 49 and before use as a fuel cell unit 1, an inert gas is passed through the channels 12, 13 and the discharge and supply lines 15, 16, 25, 26 to completely remove the liquid electrolyte before gaseous fuel and oxidizing agent are passed through. The fuel cells 2 and the electrolysis cells 2 thus form electrochemical cells 52. The fuel cell unit 1 and the electrolysis 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 passing the liquid electrolyte through when operating as an electrolysis cell unit 49 and this applies analogously to the supply and discharge lines 15, 16, 25, 26. For process-related reasons, an electrolysis cell unit 49 normally does not require channels 14 for passing coolant through. In an electrochemical cell unit 49, the channels 12 for fuel also form channels 12 for passing fuel and/or electrolytes and the channels 13 for oxidizer also form channels 13 for passing fuel and/or electrolytes.
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 a further embodiment, not shown, the fuel cell unit 1 is designed as an alkaline fuel cell unit 1. Potassium hydroxide solution is used as the mobile electrolyte. The fuel cells 2 are arranged in a stack. 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). The fuel cell unit 1 can also be operated as a reversible fuel cell unit 1, ie as an electrolysis cell unit 49.
Kontaktplatten 51 können als Monopolarplatten, Bipolarplatten 10 oder Endplatten ausgebildet sein. Monopolarplatten weisen nur einen einheitlichen Pol auf beiden Seiten auf, sodass in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Monopolarplatten die Monopolarplatten mit einer elektrischen Stromleitung mit anderen Monopolarplatten zu verbinden sind. Endplatten sind an einem Ende des Zellenstacks angeordnet. Contact plates 51 can be designed as monopolar plates, bipolar plates 10 or end plates. Monopolar plates have only one uniform pole on both sides, so that in a fuel cell unit 1 with monopolar plates, the monopolar plates are to be connected to other monopolar plates with an electrical power line. End plates are arranged at one end of the cell stack.
Für die Herstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 53 erfolgt zunächst ein zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51 , 62, 63, 64, 76, 77 von elektrochemischen Zellen 52. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 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 zusammen mit ersten und zweiten SubgasketsTo produce an electrochemical cell unit 53, the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 of electrochemical cells 52 are first provided. The layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 are, for example, in a fuel cell unit 1, 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 together with first and second subgaskets
63, 64 eine Membranelektrodenanordnung 6 (Fig. 8) bei denen in die Anode 7 und die Kathode 8 als CCM (catalyst coated membrane) zusätzlich mit einem Katalysatorstoff versehen sind, sodass die Anode 7 und die Kathode 8 zusätzlich eine Katalysatorschicht 30 bilden. Die Subgaskets 62 sind Folien, welche den Brennstoff im Gasraum 31 für Brennstoff von dem Oxidationsmittel im Gasraum 32 für Oxidationsmittel trennen und die Membranelektrodenanordnung 6 ohne Subgaskets 62, 63, 64, d. h. im Wesentlichen die Protonenaustauschermembran 5, stützen und spannen. Die Subgaskets 62 sind beispielsweise aus PEEK (Polyetheretherketon) oder PPS (Polyphenylensulfid) ausgebildet. Die schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51 , 62, 63, 64, 76, 77 der Brennstoffzellen 2 werden zu einem beispielsweise in Fig. 3 und 4 dargestellten Zellenstack 65 gestapelt. Nach dem zur Verfügung stellen der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 wird ein Stapeln der schichtförmigen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63,63, 64 a membrane electrode arrangement 6 (Fig. 8) in which the anode 7 and the cathode 8 are additionally provided with a catalyst substance as a CCM (catalyst coated membrane), so that the anode 7 and the cathode 8 additionally form a catalyst layer 30. The subgaskets 62 are films which separate the fuel in the gas space 31 for fuel from the oxidant in the gas space 32 for oxidant and support and tension the membrane electrode arrangement 6 without subgaskets 62, 63, 64, i.e. essentially the proton exchange membrane 5. The subgaskets 62 are made, for example, from PEEK (polyetheretherketone) or PPS (polyphenylene sulfide). The layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 of the fuel cells 2 are stacked to form a cell stack 65, for example shown in Fig. 3 and 4. After the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64, 76, 77 have been provided, the layered components 5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63,
64, 76, 77 ausgeführt. 64, 76, 77 executed.
In Fig. 8 ist ein Teilschnitt durch die Membranelektrodenanordnung 5 und zwei Gasdiffusionsschichten 9 der elektrochemischen Zellen 52 dargestellt. In der elektrochemischen Zelle 52 sind insgesamt 2 Subgaskets 62, d. h. ein erstes Subgasket 63 und ein zweites Subgasket 64 vorhanden. Darüber hinaus sind 2 Gasdiffusionsschichten 9, nämlich eine erste Gasdiffusionsschicht 76 und eine zweite Gasdiffusionsschicht 77, vorhanden. Das erste Subgasket 63 und das zweite Subgasket 64 sind mit einem Klebstoff 78 stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Anode 7 weist eine Außenseite 79 auf, welche im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Ebene 59 ist. Die Kathode 8 weist eine Außenseite 80 auf, welche im Wesentlichen parallel zu der fiktiven Ebene 59 ausgerichtet ist. An einem Rand oder Endbereich der Außenseite 79 ist das erste Subgasket 63 mit dem Klebstoff 78 mit diesem Randbereich der Außenseite 79 verbunden, sodass dieser Klebstoff 78 an der Außenseite 79 auch ein Verbindungsmittel 71 zur mechanischen Verbindung des ersten Subgaskets 63 mit der Anode 7 bildet. In analoger Weise ist die Außenseite 80 der Kathode 8 mit dem Klebstoff 78 stoffschlüssig mit dem zweiten Subgasket 64 verbunden, sodass der Klebstoff 78 an der Außenseite 80 der Kathode 8 ebenfalls das Verbindungsmittel 71 bildet. Das erste und zweite Subgasket 63, 64 weist eine im Wesentlichen rechteckförmige Aussparung 75 (Fig. 7) auf an welcher die Anode 7 und Kathode 8 jeweils in den Gasraum 31 , 32 ragt für die elektrochemische Reaktion. Diese rechteckförmige Aussparung 75 als Öffnung 75 ist von Enden 66 des ersten Subgaskets 63 und des zweiten Subgaskets 64 begrenzt und diese Enden 66 des ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 liegen auf der Anode 7 und der Kathode 8 auf. In Fig. 8 a partial section through the membrane electrode arrangement 5 and two gas diffusion layers 9 of the electrochemical cells 52 is shown. In the electrochemical cell 52 has a total of 2 subgaskets 62, ie a first subgasket 63 and a second subgasket 64. In addition, there are 2 gas diffusion layers 9, namely a first gas diffusion layer 76 and a second gas diffusion layer 77. The first subgasket 63 and the second subgasket 64 are firmly bonded to one another using an adhesive 78. The anode 7 has an outer side 79 which is substantially parallel to the fictitious plane 59. The cathode 8 has an outer side 80 which is oriented substantially parallel to the fictitious plane 59. At an edge or end region of the outer side 79, the first subgasket 63 is connected to this edge region of the outer side 79 with the adhesive 78, so that this adhesive 78 on the outer side 79 also forms a connecting means 71 for mechanically connecting the first subgasket 63 to the anode 7. In an analogous manner, the outer side 80 of the cathode 8 is materially connected to the second subgasket 64 with the adhesive 78, so that the adhesive 78 on the outer side 80 of the cathode 8 also forms the connecting means 71. The first and second subgaskets 63, 64 have a substantially rectangular recess 75 (Fig. 7) at which the anode 7 and cathode 8 each protrude into the gas space 31, 32 for the electrochemical reaction. This rectangular recess 75 as opening 75 is delimited by ends 66 of the first subgasket 63 and the second subgasket 64 and these ends 66 of the first and second subgaskets 63, 64 rest on the anode 7 and the cathode 8.
In Fig. 9 ist ein Maschinensystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 dargestellt. Das Maschinensystem umfasst zwei Lagervorrichtungen 94 als Lagerrollen 95 für das Subgasket 62 als Band 93. Das bandförmige Subgasket 62, 93 wird von den Lagerrollen 95 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung abgerollt zu dem Band 93 des Subgaskets 62 als Subgasketband 93 und auf der Lagerrolle 95 sind mehr als 50, 100 oder 300 erste und zweite im Wesentlichen rechteckförmige Subgaskets 62 miteinander verbunden. Außerdem ist auf einer Lagervorrichtung 96 als Lagerrolle 97 die Protonenaustauschermembran 5 als Band 98 aufgerollt, so dass an dem Protonenaustauschermembranband 98 eine große Anzahl, beispielsweise mehr als 50, 100 oder 300, im Wesentlichen rechteckförmige Protonenaustauschermembranen 5 miteinander verbunden als Protonenaustauschermembranband 98 angeordnet sind. Das Protonenaustauschermembranband 98 umfasst neben der eigentlichen Protonenaustauschermembran 5 als weitere Schichten die Anoden 7, die Kathoden 8 und jeweils auf der und/oder integriert in die Anode 7 und Kathode 8 die Katalysatorschicht 30. Das erste und zweite Subgasketband 93 und das Protonenaustauschermembranband 98 werden simultan von den Lagerrollen 95, 97 abgerollt. Das erste Subgasketband 93 wird von einer ersten Lagervorrichtung 94 für das erste Subgasketband 93 abgerollt und das zweite Subgasketband 93 wird von der zweiten Lagervorrichtung 94 abgerollt. Fig. 9 shows a machine system for carrying out a method for producing the membrane electrode assembly 6. The machine system comprises two bearing devices 94 as bearing rollers 95 for the subgasket 62 as a band 93. The band-shaped subgasket 62, 93 is unrolled from the bearing rollers 95 with a device not shown to the band 93 of the subgasket 62 as a subgasket band 93 and on the bearing roller 95 more than 50, 100 or 300 first and second substantially rectangular subgaskets 62 are connected to one another. In addition, the proton exchange membrane 5 is rolled up as a band 98 on a bearing device 96 as a bearing roller 97, so that a large number, for example more than 50, 100 or 300, essentially rectangular proton exchange membranes 5 are arranged on the proton exchange membrane band 98, connected to one another as a proton exchange membrane band 98. The In addition to the actual proton exchange membrane 5, the proton exchange membrane band 98 comprises the anodes 7, the cathodes 8 and the catalyst layer 30 on and/or integrated into the anode 7 and cathode 8 as additional layers. The first and second subgasket bands 93 and the proton exchange membrane band 98 are simultaneously unrolled from the bearing rollers 95, 97. The first subgasket band 93 is unrolled from a first bearing device 94 for the first subgasket band 93 and the second subgasket band 93 is unrolled from the second bearing device 94.
Für das zur Verfügung stellen des ersten Subgaskets 63 und des zweiten Subgaskets 64 ist es notwendig, ein Durchtrennen des ersten und zweiten Subgasketbandes 93 mit einer Trennvorrichtung als einem Lasersystem 74 und einer Fördervorrichtung 86 als einer Rolle 87 auszuführen. Unter dem Begriff des Subgaskets 62 wird auch das Subgasketband 93 verstanden. Das Lasersystem 74 umfasst einen Laser 72 und ein optisches System 73 (Fig. 10). Das optische System 73 umfasst wenigstens einen Spiegel und/oder wenigstens eine Linse (nicht dargestellt). Der Laser 72 emittiert einen Laserstrahl 81, der von dem optischen System 73 umgelenkt wird. Das Subgasketband 93 und auch das erste und zweite Subgasket 63, 64 weisen eine primäre Seite 84 und eine sekundäre Seite 85 auf (Fig. 9 und 10). Die primäre Seite 84 ist gegenüberliegend zu der sekundären Seite 85 ausgebildet. Die primäre Seite 84 ist dem Laserstrahl 81 zugewandt, sodass der auf der primären Seite 84 auftreffende Laserstrahl 81 einen Brennfleckes 82 ausgebildet. Fiktiv gegenüberliegend zu dem Brennfleck 82 ist ein fiktiver Sekundärbrennfleck 83 auf der sekundären Seite 85 des Subgaskets 62 und des Subgasketbandes 93. Die Energie der elektromagnetischen Strahlung des Laserstrahls 81 erwärmt lokal an dem Brennfleck 82 das Subgasket 62, sodass aufgrund der hohen Temperatur des Subgaskets 62 und des Subgasketbandes 93 an dem Brennfleck 82 dieses durchtrennt, d. h. abgeschnitten, wird. Der Brennfleck 82 des Laserstrahls 81 führt während des Durchtrennens des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 eine Relativbewegung auf der primären Seite 84 des Subgaskets 62 auf. In order to provide the first subgasket 63 and the second subgasket 64, it is necessary to cut through the first and second subgasket bands 93 using a cutting device in the form of a laser system 74 and a conveyor device 86 in the form of a roller 87. The term subgasket 62 also includes the subgasket band 93. The laser system 74 includes a laser 72 and an optical system 73 (Fig. 10). The optical system 73 includes at least one mirror and/or at least one lens (not shown). The laser 72 emits a laser beam 81, which is deflected by the optical system 73. The subgasket band 93 and also the first and second subgaskets 63, 64 have a primary side 84 and a secondary side 85 (Figs. 9 and 10). The primary side 84 is formed opposite the secondary side 85. The primary side 84 faces the laser beam 81, so that the laser beam 81 striking the primary side 84 forms a focal spot 82. Fictitiously opposite the focal spot 82 is a fictitious secondary focal spot 83 on the secondary side 85 of the subgasket 62 and the subgasket band 93. The energy of the electromagnetic radiation of the laser beam 81 heats the subgasket 62 locally at the focal spot 82, so that due to the high temperature of the subgasket 62 and the subgasket band 93 at the focal spot 82, the latter is severed, i.e. cut off. The focal spot 82 of the laser beam 81 performs a relative movement on the primary side 84 of the subgasket 62 while the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 is being severed.
Während dieses Durchtrennens liegt die sekundäre Seite 85 des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 auf einer Kontaktfläche 89 der Fördervorrichtung 86 als der Rolle 87 auf. Die Kontaktfläche 89 ist eine Teilfläche einer radialen Außenseite 100 der Rolle 87. Die Rolle 87 führt während des Durchtrennens eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 99 aus, sodass die radiale Außenseite 100 und damit auch die Kontaktfläche 89 eine Rotationsbewegung ausgeführt. Aufgrund des Aufliegens der sekundären Seite 85 des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93, d. h. eines Abschnittes 61 des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 auf der Kontaktfläche 89 der Rolle 87, führt auch lokal das Subgasket 62 und/oder das Subgasketband 93 diese Rotationsbewegung um die Rotationsachse 99 simultan und im Wesentlichen identisch mit aus, sodass im Wesentlichen keine Relativbewegung zwischen der sekundären Seite 85 des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 und der Kontaktfläche 89 der Rolle 87 auftritt. During this cutting, the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 rests on a contact surface 89 of the conveyor device 86 as the roller 87. The contact surface 89 is a partial surface a radial outer side 100 of the roller 87. The roller 87 executes a rotational movement about the rotation axis 99 during the cutting, so that the radial outer side 100 and thus also the contact surface 89 execute a rotational movement. Due to the resting of the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93, i.e. a section 61 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 on the contact surface 89 of the roller 87, the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 also locally executes this rotational movement about the rotation axis 99 simultaneously and essentially identically, so that essentially no relative movement occurs between the secondary side 85 of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 and the contact surface 89 of the roller 87.
Damit führt auch ein Bereich 88 des Subgaskets 62 in der Nähe des Brennfleckes 82 diese Bewegung als Rotationsbewegung mit aus. An der radialen Außenseite 100 der Rolle 87 sind Ausnehmungen 90 als gerade oder gekrümmte Schlitze eingearbeitet. Die Ausnehmungen 90 sind als Ausnehmungen 91 in Umfangsrichtung der radialen Außenseite 100 der Rolle 87 ausgebildet (Fig. 12) und/oder als Ausnehmungen 92 in Richtung der Rotationsachse 99 der Rolle 87 ausgebildet (Fig. 11 und 12). Während der Bewegung als Rotationsbewegung des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 auf der Rolle 87 führt simultan der Brennfleck 82 die Relativbewegung auf der primären Seite 84 dahingehend aus, dass der fiktive Sekundärbrennfleck 83 ständig während des Durchtrennens an und/oder auf und/oder in je einer Aussparung 90 angeordnet und positioniert ist. Der fiktive Sekundärbrennfleck 83 weist somit während des Durchtrennens keinen fiktiven Kontakt zu der radialen Außenseite 100 und damit zu der Kontaktfläche 89 der Rolle 87 auf. Dieser fehlende Kontakt des fiktiven Sekundärbrennfleckes 83 zu der Fördervorrichtung 86 als der Rolle 87 ist notwendig, damit eineAs a result, an area 88 of the subgasket 62 in the vicinity of the focal spot 82 also carries out this movement as a rotational movement. Recesses 90 are machined into the radial outer side 100 of the roller 87 as straight or curved slots. The recesses 90 are designed as recesses 91 in the circumferential direction of the radial outer side 100 of the roller 87 (Fig. 12) and/or as recesses 92 in the direction of the rotation axis 99 of the roller 87 (Figs. 11 and 12). During the movement as a rotational movement of the subgasket 62 and/or the subgasket band 93 on the roller 87, the focal spot 82 simultaneously carries out the relative movement on the primary side 84 in such a way that the fictitious secondary focal spot 83 is constantly arranged and positioned at and/or on and/or in a recess 90 during the cutting process. The fictitious secondary focal spot 83 thus has no fictitious contact with the radial outer side 100 and thus with the contact surface 89 of the roller 87 during the cutting. This lack of contact of the fictitious secondary focal spot 83 with the conveyor device 86 as the roller 87 is necessary so that a
Schnittkante 67 nach dem Durchtrennen sauber ohne Fehlstellen ausgebildet ist und sich geschmolzenes Material des Subgaskets 62 für eine gute Prozesssicherheit und Prozesszuverlässigkeit in der Aussparung 90 ansammeln kann. Das Durchtrennen erfolgt an einer geraden Schnittkante 67 mit einer, ohne Berücksichtigung der Krümmung der radialen Außenseite 100 der Rolle 87, geraden Ausnehmung 90, so dass die Ausnehmung 91 in Umfangsrichtung diesbezüglich als gerade betrachtet wird. Für das Ausbilden vonCutting edge 67 is cleanly formed without defects after severing and molten material of the subgasket 62 can collect in the recess 90 for good process safety and process reliability. The severing takes place on a straight cutting edge 67 with a straight recess 90, without taking into account the curvature of the radial outer side 100 of the roller 87, so that the recess 91 is considered to be straight in the circumferential direction in this respect. For the formation of
Schnittkanten 67 mit einer Krümmung ist es notwendig, dass auch die Ausnehmungen 90, ohne Berücksichtigung der Krümmung der radialen Außenseite 100 der Rolle 87, gekrümmt ausgebildet sind (nicht dargestellt). Vorzugsweise wird simultan während des Durchtrennens ein Entfernen des abgeschmolzenen Materials aus der wenigstens einen Ausnehmung 90 ausgeführt, beispielsweise mittels Druckluft und/oder einer mechanischen Reinigungsvorrichtung, insbesondere einer rotierenden mechanischen Reinigungsvorrichtung. Cutting edges 67 with a curvature, it is necessary that the Recesses 90 are curved (not shown) without taking into account the curvature of the radial outer side 100 of the roller 87. Preferably, the melted material is removed from the at least one recess 90 simultaneously during the cutting, for example by means of compressed air and/or a mechanical cleaning device, in particular a rotating mechanical cleaning device.
Nach dem Abrollen bzw. Abwickeln der 2 Subgasketbänder 93 von den 2 Lagervorrichtungen 94 werden diese wie oben beschrieben mit dem Laserstrahl 81 jeweils vollständig in Querrichtung, d. h. in Richtung der Rotationsachse 99 der Rolle 87, durchtrennt, sodass die separaten ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 ausgebildet werden. Das Lasersystem 74 schneidet außerdem mit dem Laserstrahl 81 in jedes erste Subgasket 62, 63, sechs Fluidöffnungen 41 und außerdem eine Perforation für die große Öffnung 75 als die Aussparung 75 für die Protonenaustauschermembran 5, so dass die Protonenaustauschermembran 5 durch die Öffnung 75 für die Prozessfluide zugänglich ist für die elektrochemische Reaktion nach dem späteren vollständigen Durchtrennen der Perforation. Dieses Durchtrennen wird für je ein Subgasket 63, 64 mit 2 Lasersystem 74 und 2 Fördervorrichtung 86 ausgeführt. Die beiden Lasersystem 74 und Fördervorrichtung im 86 sind dabei in der Bewegungsrichtung der Subgaskets 63, 64 nacheinander angeordnet (Fig. 9). After the 2 subgasket bands 93 have been unrolled or unwound from the 2 storage devices 94, they are each completely severed with the laser beam 81 in the transverse direction, i.e. in the direction of the rotation axis 99 of the roll 87, as described above, so that the separate first and second subgaskets 63, 64 are formed. The laser system 74 also cuts six fluid openings 41 into each first subgasket 62, 63 with the laser beam 81 and also a perforation for the large opening 75 as the recess 75 for the proton exchange membrane 5, so that the proton exchange membrane 5 is accessible through the opening 75 for the process fluids for the electrochemical reaction after the later complete severing of the perforation. This severing is carried out for one subgasket 63, 64 each with 2 laser systems 74 and 2 conveyor devices 86. The two laser systems 74 and the conveyor device 86 are arranged one after the other in the direction of movement of the subgaskets 63, 64 (Fig. 9).
Das Protonenaustauschermembranband 98 wird durch eine Trennvorrichtung 101 als Schneidwalze 102 abgeschnitten und unter der Schneidwalze 102 ist eine weitere angetriebene Walze angeordnet, so dass das Protonenaustauschermembranband 98 zwischen der Schneidwalze 102 und der weiteren Walze durchgeführt wird, so dass diese zusätzlich als Fördervorrichtung zum Abwickeln des Protonenaustauschermembranbandes 98 von der Lagerrolle 97 fungieren. Die Schneidwalze 102 schneidet einzelne, im Wesentlichen rechteckförmige Abschnitte von dem Protonenaustauschermembranband 99 ab und diese abgeschnittenen Abschnitte bilden die einzelnen Protonenaustauschermembranen 5. The proton exchange membrane band 98 is cut off by a separating device 101 as a cutting roller 102 and a further driven roller is arranged under the cutting roller 102 so that the proton exchange membrane band 98 is guided between the cutting roller 102 and the further roller so that these also function as a conveyor device for unwinding the proton exchange membrane band 98 from the bearing roller 97. The cutting roller 102 cuts off individual, essentially rectangular sections from the proton exchange membrane band 99 and these cut sections form the individual proton exchange membranes 5.
Anschließend werden in der Vorrichtung 103, beispielsweise einer Kaschierwalze 103, zum Verbinden der abgeschnittenen Protonenaustauschermembranen 5 mit dem mittels des Laserstrahls 81 abgeschnittenen ersten Subgasket 63, die Protonenaustauschermembranen 5 mit dem ersten Subgasket 63 verbunden. Das Verbinden wird stoffschlüssig und/oder formschlüssig ausgeführt, beispielsweise mit Kleben, Prägen und/oder Heißlaminieren. Anschließend wird auf das erste Subgasket 63 und die einzelnen bereits abgeschnittenen Protonenaustauschermembranen 5 das zweite Subgasket 64 aufgelegt, so dass die Fluidöffnungen 41 und dieSubsequently, in the device 103, for example a laminating roller 103, for connecting the cut Proton exchange membranes 5 are connected to the first subgasket 63 cut off by means of the laser beam 81, the proton exchange membranes 5 are connected to the first subgasket 63. The connection is carried out in a material-locking and/or form-locking manner, for example by gluing, embossing and/or hot lamination. The second subgasket 64 is then placed on the first subgasket 63 and the individual proton exchange membranes 5 that have already been cut off, so that the fluid openings 41 and the
Aussparungen 75 als Öffnungen 75 in dem ersten und zweiten Subgasket 62, 63, 64 fluchten und damit die Protonenaustauschermembranen 5 zwischen dem ersten und zweiten Subgasket 62, 63, 64 angeordnet sind. In der Vorrichtung 104 als zwei Kaschierwalzen 104 zum Verbinden der ersten und zweiten Subgasket 62, 63, 64 miteinander und mit den Protonenaustauschermembranen 5 werden das erste und zweite Subgasket 63, 64 und die Protonenaustauschermembranen 5 mittels Kaschieren und/oder Prägen, d. h. stoffschlüssig und/oder formschlüssig, miteinander verbunden. In der Vorrichtung 69 zum Entfernen und/oder Abheben werden an dem ersten und zweiten Subgasket 63, 64 die von der Perforation umschlossenen Bereiche des ersten und zweiten Subgasket 63, 64 entfernt, d. h. die mit dem Lasersystem 74 eingearbeiteten Perforationen vollständig durchtrennt, insbesondere durchgerissen beim Entfernen, so dass die Protonenaustauschermembranen 5 an den Aussparungen 75 als Öffnungen 55 zugänglich sind. Die Vorrichtung 69 ist beispielsweise als eine Abreißwalze 70 oder ein Vakuumsauger oder eine Vakuumwalze ausgebildet. Recesses 75 as openings 75 in the first and second subgaskets 62, 63, 64 are aligned and thus the proton exchange membranes 5 are arranged between the first and second subgaskets 62, 63, 64. In the device 104 as two laminating rollers 104 for connecting the first and second subgaskets 62, 63, 64 to one another and to the proton exchange membranes 5, the first and second subgaskets 63, 64 and the proton exchange membranes 5 are connected to one another by laminating and/or embossing, i.e. in a material-locking and/or form-locking manner. In the device 69 for removing and/or lifting, the areas of the first and second subgaskets 63, 64 enclosed by the perforation are removed from the first and second subgaskets 63, 64, i.e. the perforations made with the laser system 74 are completely severed, in particular torn through during removal, so that the proton exchange membranes 5 are accessible at the recesses 75 as openings 55. The device 69 is designed, for example, as a tear-off roller 70 or a vacuum suction device or a vacuum roller.
Anschließend werden die Membranelektrodenanordnungen 6 mit je einem ersten Subgasket 63, je einem zweiten Subgasket 64, je einer Protonenaustauschermembran 5, je einer Anode 7 und je einer Kathode 8 von einem Förderband 68 abtransportiert. Die obigen Vorgänge werden kontinuierlich und simultan ausgeführt und vorzugsweise mit Kameras und Bildverarbeitungssoftware in einer Steuer- und/oder Regeleinheit (nicht dargestellt) überwacht, gesteuert und/oder geregelt, insbesondere bezüglich der Positionen der Protonenaustauschermembranen 5 und der ersten und zweiten Subgaskets 63, 64 als erstes und zweites Subgasket 63, 64 zueinander und der Relativposition des Brennfleckes 82 auf der primären Seite 84 des Subgaskets 62, 63, 64. Abweichend von der obigen Beschreibung werden das erste und zweite Subgasket 63, 64 als Subgasketband 93 mit den separaten Protonenaustauschermembranen 5 stoffschlüssig verbunden und erst nach dem Durchlaufen der Vorrichtung 69 zum Entfernen und/oder Abheben erfolgt das vollständigen Durchtrennen in Querrichtung des ersten und zweiten Subgasketbandes 93, sodass nach der Vorrichtung 69 ein weiteres Lasersystem 74 und die Fördervorrichtung 86 als die Trennvorrichtung angeordnet sind (nicht dargestellt). The membrane electrode arrangements 6 are then transported away by a conveyor belt 68, each with a first subgasket 63, a second subgasket 64, a proton exchange membrane 5, an anode 7 and a cathode 8. The above processes are carried out continuously and simultaneously and are preferably monitored, controlled and/or regulated with cameras and image processing software in a control and/or regulating unit (not shown), in particular with regard to the positions of the proton exchange membranes 5 and the first and second subgaskets 63, 64 as the first and second subgaskets 63, 64 to one another and the relative position of the focal spot 82 on the primary side 84 of the subgasket 62, 63, 64. Deviating from the above description, the first and second subgaskets 63, 64 are provided as a subgasket belt 93 with the separate Proton exchange membranes 5 are materially connected and only after passing through the device 69 for removal and/or lifting does the complete severing in the transverse direction of the first and second subgasket bands 93 take place, so that after the device 69 a further laser system 74 and the conveying device 86 are arranged as the separating device (not shown).
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der elektrochemischen Zelleneinheit 53 und der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelleneinheit 53 wesentliche Vorteile verbunden. Das Durchtrennen des Subgaskets 62 für die Herstellung der Membranelektrodenanordnung 6 wird ausschließlich mittels des Laserstrahls 81 aus dem Lasersystem 74 ausgeführt. Mechanische Trennwerkzeuge sind somit in vorteilhafter Weise nicht notwendig, sodass auch kein Verschleiß an dem nicht vorhandenen mechanischen Trennwerkzeug auftreten kann. Unterschiedliche Geometrien an Subgaskets 62, 63, 64 können ohne aufwändige Änderungen an mechanischen Werkzeugen ausgeführt werden indem beispielsweise lediglich in der Software zur Steuerung der Relativbewegung des Brennfleckes 81 auf der primären Seite 84 des Subgaskets 62 eine Anpassung ausgeführt wird. Das Durchtrennen des Subgaskets 62 und/oder des Subgasketbandes 93 kann genau mit einer klaren und geraden Schnittkanten 67 bei einer hohen Prozesssicherheit ausgeführt werden. Overall, there are significant advantages associated with the method according to the invention for producing the membrane electrode arrangement 6, the method according to the invention for producing the electrochemical cell unit 53 and the electrochemical cell unit 53 according to the invention. The subgasket 62 is cut through to produce the membrane electrode arrangement 6 exclusively using the laser beam 81 from the laser system 74. Mechanical cutting tools are therefore advantageously not necessary, so that no wear can occur on the non-existent mechanical cutting tool. Different geometries on subgaskets 62, 63, 64 can be made without complex changes to mechanical tools, for example by simply making an adjustment in the software for controlling the relative movement of the focal spot 81 on the primary side 84 of the subgasket 62. The subgasket 62 and/or the subgasket band 93 can be cut through precisely with a clear and straight cutting edge 67 with a high level of process reliability.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung von Membranelektrodenanordnungen (6) mit ersten und zweiten Subgaskets (62, 63, 64) und Protonenaustauschermembranen (5) für eine elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49) mit den Schritten: 1. A method for producing membrane electrode assemblies (6) with first and second subgaskets (62, 63, 64) and proton exchange membranes (5) for an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49), comprising the steps:
- zur Verfügung stellen je einer Protonenaustauschermembran (5),- providing one proton exchange membrane each (5),
- zur Verfügung stellen eines Subgaskets (62, 93), - providing a subgasket (62, 93),
- Durchtrennen des Subgaskets (62, 93) mit einer Trennvorrichtung mittels eines Laserstrahls (81), so dass ein erstes und zweites Subgasket (62, 63, 64) hergestellt werden, - cutting the subgasket (62, 93) with a cutting device by means of a laser beam (81) so that a first and second subgasket (62, 63, 64) are produced,
- Anordnen der je einen Protonenaustauschermembran (5) zwischen dem je ersten und je zweiten Subgasket (62, 63, 64), - arranging one proton exchange membrane (5) between the first and second subgaskets (62, 63, 64),
- Verbinden der je einen Protonenaustauschermembran (5) mit dem je ersten und je zweiten Subgasket (62, 63, 64) zu der Membranelektrodenanordnung (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Subgasket (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) durchtrennt wird indem der Laserstrahl (81) auf eine primäre Seite (84) des Subgaskets (62, 93) gerichtet wird und von einem Brennfleck (82) des Laserstrahls (81) während des Durchtrennens eine Relativbewegung auf der primären Seite (84) des Subgaskets (62, 93) ausgeführt wird und simultan eine sekundäre Seite (85) des Subgaskets (62, 93) auf einer Fördervorrichtung (86) aufliegt und die sekundäre Seite (85) des Subgaskets (62, 93) eine zu der primären Seite (84) gegenüberliegende Seite des Subgaskets (62, 93) ist. - Connecting each proton exchange membrane (5) to the first and second subgasket (62, 63, 64) to form the membrane electrode arrangement (6), characterized in that the subgasket (62, 93) is severed with the laser beam (81) by directing the laser beam (81) onto a primary side (84) of the subgasket (62, 93) and a focal spot (82) of the laser beam (81) executes a relative movement on the primary side (84) of the subgasket (62, 93) during the severing and simultaneously a secondary side (85) of the subgasket (62, 93) rests on a conveyor device (86) and the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) is a side of the subgasket (62, 93) opposite the primary side (84).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchtrennens des Subgaskets (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) von einem Bereich (88) des Subgaskets (62, 93), an welchem der Brennfleck (82) des Laserstrahls (81) auftrifft, eine Bewegung, insbesondere eine Translations- und/oder Rotationsbewegung, ausgeführt wird. 2. Method according to claim 1, characterized in that during the severing of the subgasket (62, 93) with the laser beam (81), a movement, in particular a translational and/or rotational movement, is carried out from a region (88) of the subgasket (62, 93) at which the focal spot (82) of the laser beam (81) impinges.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchtrennens des Subgaskets (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) ein Abschnitt (61) des Subgaskets (62, 93) mit der sekundären Seite (85) auf einer Kontaktfläche (89) der Fördervorrichtung (86) aufliegt und der Brennfleck (82) des Laserstrahls (81) an diesem Abschnitt (61) positioniert ist und/oder umgeben von diesem Abschnitt (61), insbesondere in Umfangsrichtung einer Fördervorrichtung (86) als Rolle (87), positioniert ist. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that during the severing of the subgasket (62, 93) with the laser beam (81), a section (61) of the subgasket (62, 93) rests with the secondary side (85) on a contact surface (89) of the conveyor device (86) and the focal spot (82) of the laser beam (81) is positioned on this section (61) and/or surrounded by this section (61), in particular in the circumferential direction of a conveyor device (86) as a roller (87).
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchtrennens des Subgaskets (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) zwischen der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93) und der Kontaktfläche (89) der Fördervorrichtung (86) im Wesentlichen keine Relativbewegung ausgeführt wird. 4. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that during the severing of the subgasket (62, 93) with the laser beam (81) substantially no relative movement is carried out between the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) and the contact surface (89) of the conveying device (86).
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Durchtrennens des Subgaskets (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) von der Kontaktfläche (89) der Fördervorrichtung (86) eine Bewegung, insbesondere eine Translations- und/oder Rotationsbewegung, ausgeführt wird. 5. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that during the cutting of the subgasket (62, 93) with the laser beam (81) a movement, in particular a translational and/or rotational movement, is carried out by the contact surface (89) of the conveying device (86).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kontaktfläche (89) der Fördervorrichtung (86) eine Ausnehmung (90, 91 , 92) ausgebildet ist und während des Durchtrennens des Subgaskets (62, 93) mit dem Laserstrahl (81) lokal zwischen der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93) und der Fördervorrichtung (86) an der Ausnehmung (90, 91 , 92) kein Kontakt vorhanden ist. 6. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a recess (90, 91, 92) is formed on the contact surface (89) of the conveying device (86) and during the severing of the subgasket (62, 93) with the laser beam (81) there is no contact locally between the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) and the conveying device (86) at the recess (90, 91, 92).
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Brennfleck (82) des Laserstrahl (81) während des Durchtrennens die Relativbewegung auf der primären Seite (84) des Subgaskets (62, 93) ausgeführt wird und auf der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93), gegenüberliegend zu dem Brennfleck (84) auf der primären Seite (84), ein fiktiver Sekundärbrennfleck (83) eine Relativbewegung auf der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93) ausführt. 7. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the relative movement on the primary side (84) of the subgasket (62, 93) is carried out by the focal spot (82) of the laser beam (81) during the cutting and on the secondary side (85) of the subgasket (62, 93), opposite to the focal spot (84) on the primary side (84), a fictitious secondary focal spot (83) carries out a relative movement on the secondary side (85) of the subgasket (62, 93).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung des fiktiven Sekundärbrennfleckes (83) während des Durchtrennens auf der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93) dahingehend ausgeführt wird, insbesondere während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens mit dem Laserstrahl (81), so dass der fiktive Sekundärbrennfleck (83) keinen fiktiven Kontakt zu der Fördervorrichtung (86), insbesondere zu der Kontaktfläche (89) der Fördervorrichtung (86), aufweist. 8. Method according to claim 7, characterized in that the relative movement of the fictitious secondary focal spot (83) during the cutting on the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) is carried out, in particular during the entire period of cutting with the laser beam (81), so that the fictitious secondary focal spot (83) has no fictitious contact with the conveying device (86), in particular to the contact surface (89) of the conveying device (86).
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der fiktive Sekundärbrennfleckes (83) des Laserstrahls (81) während des Durchtrennens eine Relativbewegung auf der sekundären Seite (85) des Subgaskets (62, 93) dahingehend ausführt, so dass der fiktive Sekundärbrennfleck (83), insbesondere während der gesamten Zeitdauer des Durchtrennens mit dem Laserstrahl (81), an und/oder auf und/oder in der Ausnehmung (90, 91, 92) der Fördervorrichtung angeordnet ist. 9. Method according to claim 7 or 8, characterized in that the fictitious secondary focal spot (83) of the laser beam (81) performs a relative movement on the secondary side (85) of the subgasket (62, 93) during the severing process, so that the fictitious secondary focal spot (83), in particular during the entire period of severing with the laser beam (81), is arranged at and/or on and/or in the recess (90, 91, 92) of the conveying device.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (86) als eine rotierende Rolle (87) ausgebildet ist mit einer radialen Außenseite (100) der Rolle (87) als der Kontaktfläche (89) 10. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the conveying device (86) is designed as a rotating roller (87) with a radial outer side (100) of the roller (87) as the contact surface (89)
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (90, 91) als ein, vorzugsweise gekrümmter, Längsschlitz (91) in Umfangsrichtung der radialen Außenseite (100) der Rolle (87) als der Kontaktfläche (89) ausgebildet ist zum Durchtrennen des Subgaskets (62, 93) in Bewegungsrichtung des Subgaskets (62, 93). 11. Method according to claim 10, characterized in that the recess (90, 91) is designed as a, preferably curved, longitudinal slot (91) in the circumferential direction of the radial outer side (100) of the roller (87) as the contact surface (89) for severing the subgasket (62, 93) in the direction of movement of the subgasket (62, 93).
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (90, 92) als ein, vorzugsweise gerader, Querschlitz (92) in Richtung einer Rotationsachse (99) der Rolle (87) ausgebildet ist zum Durchtrennen des Subgaskets (62, 93) senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Subgaskets (62, 93). 12. Method according to claim 10 or 11, characterized in that the recess (90, 92) is designed as a preferably straight transverse slot (92) in the direction of a rotation axis (99) of the roller (87) is designed to sever the subgasket (62, 93) perpendicular to the direction of movement of the subgasket (62, 93).
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Subgasket (62, 63) hergestellt werden indem ein Band (62, 93) als Subgasket (62) von einer Lagervorrichtung (94) entnommen wird und von dem Band (62, 93) einzelne erste und/oder zweite Subgaskets (62, 63, 63) abgetrennt werden mittels des Durchtrennens mit dem Laserstrahl (81. 13. Method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first and/or second subgasket (62, 63) are produced by removing a band (62, 93) as a subgasket (62) from a storage device (94) and separating individual first and/or second subgaskets (62, 63, 63) from the band (62, 93) by means of cutting with the laser beam (81).
14. 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: 14. Method for producing an electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49) with stacked electrochemical cells (52), comprising the steps:
- zur Verfügung stellen von schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) der elektrochemischen Zellen (52), nämlich Membranelektrodenanordnungen (6) mit je einer Protonenaustauschermembran (5), je einem ersten Subgasket (62, 63), je einem zweiten Subgasket (62, 64), je einer Anode (7), je einer Kathode (8) und vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51), - providing layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51) of the electrochemical cells (52), namely membrane electrode arrangements (6) each with a proton exchange membrane (5), a first subgasket (62, 63), a second subgasket (62, 64), an anode (7), a cathode (8) and preferably gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10, 51),
- Stapeln der schichtförmigen Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51 , 62, 63, 64) zu elektrochemischen Zellen (52) und zu einem Stack (65) der elektrochemischen Zelleneinheit (53), dadurch gekennzeichnet, dass die Membranelektrodenanordnungen (6) zur Verfügung gestellt werden indem ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird. - stacking the layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 51, 62, 63, 64) to form electrochemical cells (52) and a stack (65) of the electrochemical cell unit (53), characterized in that the membrane electrode assemblies (6) are provided by carrying out a method according to one or more of the preceding claims.
15. Elektrochemische Zelleneinheit (53) zur Wandlung elektrochemischer Energie in elektrische Energie als Brennstoffzelleneinheit (1) und/oder zur Wandlung elektrischer Energie in elektrochemische Energie als Elektrolysezelleneinheit (49), umfassend 15. Electrochemical cell unit (53) for converting electrochemical energy into electrical energy as a fuel cell unit (1) and/or for converting electrical energy into electrochemical energy as an electrolysis cell unit (49), comprising
- gestapelt angeordnete elektrochemische Zellen (52) und die elektrochemischen Zellen (52) jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) umfassen und- stacked electrochemical cells (52) and the electrochemical cells (52) each comprise stacked layered components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51) and
- die Komponenten (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51 , 62, 63, 64) der elektrochemischen Zellen (52) Membranelektrodenanordnungen (6) mit je einer Protonenaustauschermembran (5), je einem ersten Subgasket (62, 63), je einem zweiten Subgasket (62, 64), je einer Anode (7), je einer Kathode (8) und vorzugsweise Gasdiffusionsschichten (9) und Bipolarplatten (10, 51) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelleneinheit (53) mit einem Verfahren gemäß Anspruch 14 hergestellt ist und/oder die Schnittkanten (67) der ersten und/oder zweiten Subgaskets (62, 63, 64) verschmolzen sind aufgrund thermischen Durchtrennens an den Schnittkanten (67) mit einem Laserstrahl (81). - the components (5, 6, 7, 8, 9, 10, 51, 62, 63, 64) of the electrochemical cells (52) are membrane electrode arrangements (6) each with a proton exchange membrane (5), a first subgasket (62, 63), a second subgasket (62, 64), an anode (7), a cathode (8) and preferably gas diffusion layers (9) and bipolar plates (10, 51), characterized in that the electrochemical cell unit (53) is produced using a method according to claim 14 and/or the cut edges (67) of the first and/or second subgaskets (62, 63, 64) are fused due to thermal cutting at the cut edges (67) with a laser beam (81).
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