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WO2018219591A1 - Verfahren zur herstellung einer brennstoffzelle und brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer brennstoffzelle und brennstoffzelle Download PDF

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WO2018219591A1
WO2018219591A1 PCT/EP2018/061645 EP2018061645W WO2018219591A1 WO 2018219591 A1 WO2018219591 A1 WO 2018219591A1 EP 2018061645 W EP2018061645 W EP 2018061645W WO 2018219591 A1 WO2018219591 A1 WO 2018219591A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrode
fuel cell
fabric
distribution
distribution unit
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/061645
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Berner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US16/618,535 priority patent/US20200168918A1/en
Priority to CN201880035717.6A priority patent/CN110679021A/zh
Publication of WO2018219591A1 publication Critical patent/WO2018219591A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fuel cell, which comprises at least one membrane electrode assembly having a first electrode and a second electrode, which are separated from each other by a membrane, and at least one bipolar plate having a first distribution region for distributing a fuel to the first electrode and a second
  • Distributed distribution area for the distribution of an oxidizing agent to the second electrode comprises.
  • the invention also relates to a fuel cell produced by the process according to the invention.
  • a fuel cell is a galvanic cell, which is the chemical
  • Reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent converts into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • known fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical energy and heat are converted.
  • proton exchange membrane PEM
  • PEM proton exchange membrane
  • Air oxygen is thereby spatially from the fuel, in particular
  • Proton exchange membrane fuel cells further include an anode and a cathode.
  • the fuel is supplied to the anode of the fuel cell and catalytically oxidized to protons with release of electrons.
  • the protons pass through the membrane to the cathode.
  • the emitted electrons are derived from the fuel cell and flow through an external circuit to the cathode.
  • the oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell and it reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons that have passed through the membrane to the cathode to water. The resulting water is discharged from the fuel cell.
  • the gross reaction is:
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • a plurality of fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack and electrically connected in series.
  • the bipolar plates have, for example, channel-like structures for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes.
  • the channel-like structures also serve to dissipate the water formed during the reaction.
  • the bipolar plates may further include structures for passing a cooling liquid through the fuel cell to dissipate heat.
  • a fuel cell with a bipolar plate which is composed of two plate halves.
  • a method for producing a fuel cell is proposed.
  • the fuel cell in this case has at least one membrane-electrode assembly with a first electrode and a second electrode, which are separated from each other by a membrane, and at least one bipolar plate, which has a first distribution region for distributing a fuel to the first electrode and a second distribution region for distributing an oxidizing agent to the second electrode, on.
  • the method comprises several steps, which are explained below.
  • a flat fabric is produced.
  • a fabric is to be understood as meaning a structure which is formed from interwoven wires, threads or fibers.
  • the tissue is relatively flat. The tissue thus extends significantly further in a surface than in a direction perpendicular to that surface.
  • a step b) the fabric is carried out between two rolls, which each have a structured surface.
  • the fabric is thereby deformed by the rollers.
  • the tissue is thereby deformed such that elevations of the tissue arise.
  • the tissue which now has the elevations, forms a distribution unit.
  • the resulting distribution unit is arranged in at least one distribution region of the at least one bipolar plate.
  • the distribution unit is arranged in the second distribution area, which for
  • Distribution of the oxidizing agent to the second electrode and for the derivation of water formed in the reaction serves.
  • the distribution unit can also, alternatively or additionally, be arranged in the first distribution region for distributing a fuel to the first electrode.
  • the two rollers, between which the tissue is performed, each rotate about an axis of rotation, wherein the axes of rotation of the two rollers are parallel to each other.
  • the two rollers rotate with the same
  • Rotation speed in opposite direction the two rollers rotate in such a way that the structured surfaces move in a region in which the tissue is carried out in the same transport direction as the tissue.
  • the two rollers are preferably approximately circular cylindrical and thus formed rotationally symmetrical to its axis of rotation.
  • a direction extending along the rotation axis will be referred to as an axial direction hereinafter.
  • a direction extending outward from the axis of rotation toward the surface is hereinafter referred to as a radial direction.
  • a direction which extends tangentially along the surface is referred to as a circumferential direction hereinafter.
  • the radial direction is oriented at right angles to the axial direction and at right angles to the circumferential direction.
  • the structured surfaces of the two rollers have projections.
  • a projection is to be understood in this context as a locally limited extent in the radial direction.
  • said projections of the structured surfaces of the two rollers extend in a straight line in the axial direction.
  • said projections of the structured surfaces of the two rollers extend rectilinearly inclined to the axial direction and inclined to the circumferential direction.
  • said projections of the structured surfaces of the two rollers extend in the circumferential direction pendulum in the axial direction.
  • the projections of the structured surfaces of the two rollers run in
  • the tissue from which the distribution unit is formed is formed porous and electrically conductive.
  • the distribution unit makes an electrically conductive connection to the electrode.
  • the distribution unit can conduct the electrons released in the electrochemical reaction in the fuel cell.
  • the fabric from which the distribution unit is formed advantageously comprises at least one metal-containing fiber.
  • the metal-containing fiber ensures the electrical conductivity of the distribution unit.
  • materials for the metal-containing fiber are, for example, titanium, copper, nickel, aluminum or stainless steel.
  • the fabric from which the distribution unit is formed advantageously comprises at least one carbon-containing fiber.
  • the carbon-containing fiber is particularly resistant to corrosion and additionally increases the required mechanical stability of the distribution unit.
  • the fabric from which the distribution unit is formed advantageously comprises at least one plastic-containing fiber.
  • the plastic-containing fiber is relatively light compared to fibers of other materials and thus reduces the weight of the distribution unit. Furthermore, the plastic-containing fiber is inexpensive and corrosion resistant.
  • the tissue from which the distribution unit is formed comprises at least two different types of fibers.
  • advantageous properties of the distribution unit can be optimized for specific applications. Under a fiber is in this
  • the distribution unit is arranged in the distribution region of the bipolar plate such that the elevations of the tissue touch one of the electrodes.
  • the distribution unit is arranged in the second distribution area, which is used to distribute the distribution area
  • the elevations touch the second electrode.
  • the distribution unit is arranged in the first distribution area for distributing a fuel, the elevations contact the first electrode.
  • the Fuel cell constructed such that on both sides of the membrane electrode unit is followed by a respective bipolar plate, wherein in at least one distribution region of the bipolar plates, a distribution unit is arranged.
  • the distribution unit which is formed from a fabric with elevations, can specifically structures for distributing the reaction gases in a
  • Distribution area of the bipolar plate can be formed. Fabrics are very easy and inexpensive to produce, especially in comparison to foams. When flowing through the distribution unit with a gas, in particular the fuel or the oxidant, only a relatively small
  • the deformation of the flat fabric by means of the rollers with structured surfaces is particularly simple and inexpensive compared to other forming techniques such as embossing.
  • the tissue may be continuously passed between the rollers.
  • the tissue is not clamped, as for example during embossing, and the deformations can be achieved by drawing in additional tissue. This considerably broadens the range of possible geometries compared to embossing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack with a plurality of fuel cells
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the production of a distribution unit
  • FIG. 3 is a perspective view of a roller according to a first variant
  • FIG. 4 is a perspective view of a distribution unit according to a first variant
  • Figure 5 is a perspective view of a roll according to a second
  • FIG. 6 is a perspective view of a distribution unit according to a second variant
  • Figure 7 is a perspective view of a roll according to a third
  • Figure 8 is a perspective view of a distribution unit according to a third variant.
  • FIG. 9 shows a section through a bipolar plate of the fuel cell stack from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 5 with a plurality of fuel cells 2.
  • Each fuel cell 2 has a membrane electrode unit 10 which comprises a first electrode 21, a second electrode 22 and a membrane 18.
  • the two electrodes 21, 22 are arranged on mutually opposite sides of the membrane 18 and thus separated from each other by the membrane 18.
  • the first electrode 21 will also be hereinafter referred to as anode 21 and the second electrode 22 is hereinafter also referred to as cathode 22.
  • the membrane 18 is formed as a polymer electrolyte membrane.
  • the membrane 18 is permeable to hydrogen ions, ie H + ions.
  • Each fuel cell 2 also has two bipolar plates 40, which connect to the membrane-electrode unit 10 on both sides.
  • each of the bipolar plates 40 may be regarded as belonging to two fuel cells 2 arranged adjacent to one another.
  • the bipolar plates 40 each include a first distribution region 50 for distributing a fuel, which faces the anode 21.
  • Bipolar plates 40 also each include a second distribution region 60 for distributing the oxidizing agent facing the cathode 22.
  • the second distribution region 60 simultaneously serves to dissipate water formed in a reaction in the fuel cell 2.
  • a distribution unit 30 is arranged in the second distribution area 60.
  • the bipolar plates 40 here comprise a third distribution region 70, which is arranged between the first distribution region 50 and the second distribution region 60.
  • the third distribution region 70 serves to pass a coolant through the bipolar plate 40 and thus to cool the fuel cell 2 and the fuel cell stack 5.
  • the first distribution region 50 and the third distribution region 70 are separated from one another by a first separation plate 75.
  • the second distribution region 60 and the third distribution region 70 are separated from one another by a second separation plate 76.
  • the partition plates 75, 76 of the bipolar plates 40 are formed here as thin metal sheets.
  • fuel is conducted via the first distribution region 50 to the anode 21.
  • oxidant is passed via the second distribution region 60 with the distribution unit 30 to the cathode 22.
  • the fuel in the present case hydrogen, is catalytically submerged at the anode 21 Delivery of electrons to protons, ie hydrogen ions, oxidized.
  • the protons pass through the membrane 18 to the cathode 22.
  • the emitted electrons are dissipated from the fuel cell 2 and flow through an external circuit to the cathode 22.
  • the oxidant in the presence of atmospheric oxygen, reacts by picking up the electrons from the external circuit and protons, which have passed through the membrane 18 to the cathode 22, to water.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the production of a distribution unit 30.
  • a metal-containing fiber 81, a carbon-containing fiber 82 and a plastic-containing fiber 83 are fed to a weaving device 85.
  • a flat fabric 80 is produced by weaving the metal-containing fiber 81, the carbon-containing fiber 82, and the plastic-containing fiber 83.
  • the flat fabric 80 is performed between two rollers 90, each having a textured surface 93.
  • the two rollers 90 each rotate about an axis of rotation A, wherein the axes of rotation A of the two rollers 90 parallel to each other.
  • the two rollers 90 rotate with the same
  • the two rollers 90 are approximately circular cylindrical and thus formed approximately rotationally symmetrical to its axis of rotation A.
  • a direction which extends along the axis of rotation A is referred to below as the axial direction X.
  • a direction extending outward from the rotation axis A toward the surface 93 will be referred to as a radial direction R hereinafter.
  • a direction which extends tangentially along the surface 93 is referred to below as the circumferential direction U.
  • the radial direction R is oriented at right angles to the axial direction X and at right angles to the circumferential direction U.
  • the structured surfaces 93 of the two rollers 90 have projections 95 along the circumferential direction U. Under a projection 95 is in this context a locally limited extent in the radial direction R to understand.
  • the fabric 80 is deformed by the projections 95 such that bumps 32 of the fabric 80 are formed.
  • the fabric 80 which now has the elevations 32, then forms the distribution unit 30.
  • the distribution unit 30 is cut to desired or required dimensions.
  • the cutting of the distribution unit 30 takes place for example by means of punching or
  • FIG. 3 shows a perspective view of a roller 90 according to a first variant.
  • the textured surface 93 of the roller 90 has projections 95 which extend in a straight line in the axial direction X.
  • Figure 4 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a first variant, which is made by means of two rollers 90 according to the first variant.
  • the elevations 32 of the distribution unit 30 are rectilinear and parallel to each other.
  • FIG. 5 shows a perspective view of a roller 90 according to a second variant.
  • the structured surface 93 of the roller 90 has projections 95 which extend in the circumferential direction U in the axial direction X.
  • the protrusions 95 run in serpentine or zigzag on the surface 93.
  • Figure 6 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a second variant, which is made by means of two rollers 90 according to the second variant.
  • the elevations 32 of the distribution unit 30 extend in
  • FIG. 7 shows a perspective view of a roller 90 according to a third variant.
  • the textured surface 93 of the roller 90 has projections 95 which are straight inclined to the axial direction X and inclined to the circumferential direction U.
  • Figure 8 shows a perspective view of a distribution unit 30 according to a third variant, which is made by means of two rollers 90 according to the third variant.
  • the elevations 32 of the distribution unit 30 are rectilinear and parallel to each other.
  • the elevations 32 of the distribution unit 30 are inclined to the edges bounding the distribution unit 30.
  • FIG. 9 shows a section through a bipolar plate 40 of FIG
  • Fuel cell stack 5 of Figure 1 which is arranged between two membrane electrode assemblies 10.
  • the partition plates 75, 76 are formed as flat thin metal sheets and form between them the third distribution region 70 for the passage of the coolant. Between the first
  • Separation plate 75 and the anode 21 of the adjacent membrane electrode assembly 10 is the first distribution region 50th
  • Distribution area 60 in which a distribution unit 30 is arranged.
  • Distribution unit 30 is arranged such that the elevations 32 of the fabric 80 touch the cathode 22. Further, the distribution unit 30 also contacts the second partition plate 76.
  • the fuel in the present case hydrogen
  • the oxidizing agent in the present case atmospheric oxygen
  • the first flow direction 43 and the second flow direction 44 extend parallel to one another. It is also conceivable that the first flow direction 43 and the second flow direction 44 are opposite or orthogonal to each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode umfasst, aufweist, und umfasst folgende Schritte: a) Erzeugen eines flachen Gewebes (80); b) Durchführen des Gewebes (80) zwischen zwei Rollen (90), welche jeweils eine strukturierte Oberfläche (93) aufweisen, wodurch das Gewebe (80) derart verformt wird, dass Erhebungen (32) des Gewebes (80) entstehen; c) Anordnen der so entstandenen Verteileinheit (30) in mindestens einem Verteilbereich der mindestens einen Bipolarplatte. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten
Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode umfasst, aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membrane = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere
Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere
Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
02 + 4H+ + 4e" -> 2H20
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind
Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
Aus der DE 10 2012 221 730 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der
Reaktionsgase vorgesehen ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle vorgeschlagen. Die Brennstoffzelle weist dabei mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode umfasst, auf. Das Verfahren umfasst dabei mehrere Schritte, welche nachfolgend erläutert werden.
In einem Schritt a) wird ein flaches Gewebes erzeugt. Unter einem Gewebe ist im Sinn der vorliegenden Erfindung eine Struktur zu verstehen, welche aus miteinander verwobenen Drähten, Fäden oder Fasern gebildet ist. Das Gewebe ist dabei verhältnismäßig flach ausgebildet. Das Gewebe erstreckt sich somit in einer Fläche deutlich weiter als in einer Richtung, welche senkrecht auf dieser Fläche steht.
In einem Schritt b) wird das Gewebe zwischen zwei Rollen, welche jeweils eine strukturierte Oberfläche aufweisen, durchgeführt. Das Gewebe wird dabei von den Rollen verformt. Insbesondere wird das Gewebe dadurch derart verformt, dass Erhebungen des Gewebes entstehen. Das Gewebe, welches nun die Erhebungen aufweist, bildet eine Verteileinheit.
In einem Schritt c) wird die so entstandene Verteileinheit in mindestens einem Verteilbereich der mindestens einen Bipolarplatte angeordnet. Vorzugsweise wird die Verteileinheit in dem zweiten Verteilbereich angeordnet, welcher zur
Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Die Verteileinheit kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode angeordnet werden.
Die beiden Rollen, zwischen denen das Gewebe durchgeführt wird, rotieren jeweils um eine Drehachse, wobei die Drehachsen der beiden Rollen parallel zueinander verlaufen. Dabei rotieren die beiden Rollen mit gleicher
Rotationsgeschwindigkeit in gegenläufige Richtung. Insbesondere rotieren die beiden Rollen derart, dass die strukturierten Oberflächen sich in einem Bereich, in welchem das Gewebe durchgeführt wird, sich in die gleiche Transportrichtung bewegen wie das Gewebe. Die beiden Rollen sind vorzugsweise annähernd kreiszylindrisch und damit rotationssymmetrisch zu ihrer Drehachse ausgebildet. Eine Richtung, welche sich entlang der Drehachse erstreckt, wird im Folgenden als Axialrichtung bezeichnet. Eine Richtung, welche sich von der Drehachse nach außen auf die Oberfläche zu erstreckt, wird im Folgenden als Radialrichtung bezeichnet. Eine Richtung, welche sich tangential entlang der Oberfläche erstreckt, wird im Folgenden als Umfangsrichtung bezeichnet. Die Radialrichtung ist dabei rechtwinklig zu der Axialrichtung und rechtwinklig zu der Umfangsrichtung orientiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die strukturierten Oberflächen der beiden Rollen Vorsprünge auf. Unter einen Vorsprung ist in diesem Zusammenhang eine lokal begrenzte Ausdehnung in Radialrichtung zu verstehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen geradlinig in Axialrichtung.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen geradlinig geneigt zu der Axialrichtung und geneigt zu der Umfangsrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen in Umfangsrichtung pendelnd in Axialrichtung. Vereinfacht ausgedrückt verlaufen die Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen in
Schlangenlinien, beziehungsweise zickzackförmig.
Vorteilhaft ist das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, porös und elektrisch leitfähig ausgebildet. Somit ist die Verteileinheit für das
Oxidationsmittel sowie für den Brennstoff und auch für abzuleitendes Wasser durchlässig. Ferner stellt die Verteileinheit eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode her. Somit kann die Verteileinheit die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten. Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Metall enthaltende Faser auf. Die Metall enthaltende Faser stellt insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der Verteileinheit sicher. Als mögliche Materialien für die Metall enthaltende Faser eignen sich beispielsweise Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl.
Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Faser auf. Die Kohlenstoff enthaltende Faser ist besonders korrosionsbeständig und erhöht zusätzlich die erforderliche mechanische Stabilität der Verteileinheit.
Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Kunststoff enthaltende Faser auf. Die Kunststoff enthaltende Faser ist im Vergleich zu Fasern aus anderen Materialien verhältnismäßig leicht und reduziert somit das Gewicht der Verteileinheit. Ferner ist die Kunststoff enthaltende Faser kostengünstig und korrosionsresistent.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern auf. Somit können vorteilhafte Eigenschaften der Verteileinheit anwendungsspezifisch optimiert werden. Unter einer Faser ist in diesem
Zusammenhang auch ein Draht oder ein Faden zu verstehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Verteileinheit derart in dem Verteilbereich der Bipolarplatte angeordnet, dass die Erhebungen des Gewebes eine der Elektroden berühren. Wenn die Verteileinheit in dem zweiten Verteilbereich angeordnet ist, welcher zur Verteilung des
Oxidationsmittels sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient, so berühren die Erhebungen die zweite Elektrode. Wenn die Verteileinheit in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs angeordnet ist, so berühren die Erhebungen die erste Elektrode.
Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran- Elektroden- Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt, wobei in mindestens einem Verteilbereich der Bipolarplatten eine Verteileinheit angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
Mittels der Verteileinheit, welche aus einem Gewebe mit Erhebungen gebildet ist, können gezielt Strukturen zur Verteilung der Reaktionsgase in einem
Verteilbereich der Bipolarplatte ausgebildet werden. Gewebe sind, insbesondere im Vergleich zu Schäumen, sehr einfach und kostengünstig herzustellen. Beim Durchströmen der Verteileinheit mit einem Gas, insbesondere dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel, entsteht nur ein verhältnismäßig geringer
Druckverlust in der Bipolarplatte. Die Verformung des flachen Gewebes mittels der Rollen mit strukturierten Oberflächen ist dabei besonders einfach und kostengünstig im Vergleich zu anderen Umformtechniken wie beispielsweise Prägen. Insbesondere kann das Gewebe kontinuierlich zwischen den Rollen durchgeführt werden. Dabei ist das Gewebe nicht, wie beispielsweise beim Prägen, eingespannt und die Verformungen können durch Nachziehen von weiterem Gewebe erreicht werden Dadurch ist die Auswahl an möglichen Geometrien im Vergleich zum Prägen deutlich erweitert. Durch Variation des Abstandes der Drehachsen der beiden Rollen zueinander können Form und Größe der Erhebungen weiter angepasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Herstellung einer Verteileinheit, Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer ersten Variante,
Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer ersten Variante,
Figur 5 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer zweiten
Variante,
Figur 6 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer zweiten Variante,
Figur 7 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer dritten
Variante,
Figur 8 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer dritten Variante und
Figur 9 einen Schnitt durch eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus Figur 1.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran- Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-lonen, durchlässig.
Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die
Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser. In dem zweiten Verteilbereich 60 ist eine Verteileinheit 30 angeordnet. Die Bipolarplatten 40 umfassen vorliegend einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Die zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über den zweiten Verteilbereich 60 mit der Verteileinheit 30 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen, also Wasserstoffionen, oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung einer Verteileinheit 30. Eine Metall enthaltende Faser 81, eine Kohlenstoff enthaltende Faser 82 und eine Kunststoff enthaltende Faser 83 werden einer Webvorrichtung 85 zugeführt. In der Webvorrichtung 85 wird durch Weben der Metall enthaltenden Faser 81, der Kohlenstoff enthaltenden Faser 82 und der Kunststoff enthaltenden Faser 83 ein flaches Gewebe 80 erzeugt.
Das flache Gewebe 80 wird zwischen zwei Rollen 90 durchgeführt, welche jeweils eine strukturierte Oberfläche 93 aufweisen. Die beiden Rollen 90 rotieren jeweils um eine Drehachse A, wobei die Drehachsen A der beiden Rollen 90 parallel zueinander verlaufen. Die beiden Rollen 90 rotieren mit gleicher
Rotationsgeschwindigkeit in gegenläufige Richtung, wie durch die beiden Richtungspfeile B angedeutet ist.
Die beiden Rollen 90 sind annähernd kreiszylindrisch und somit annähernd rotationssymmetrisch zu ihrer Drehachse A ausgebildet. Eine Richtung, welche sich entlang der Drehachse A erstreckt, wird im Folgenden als Axialrichtung X bezeichnet. Eine Richtung, welche sich von der Drehachse A nach außen auf die Oberfläche 93 zu erstreckt, wird im Folgenden als Radialrichtung R bezeichnet. Eine Richtung, welche sich tangential entlang der Oberfläche 93 erstreckt, wird im Folgenden als Umfangsrichtung U bezeichnet. Die Radialrichtung R ist dabei rechtwinklig zu der Axialrichtung X und rechtwinklig zu der Umfangsrichtung U orientiert.
Die strukturierten Oberflächen 93 der beiden Rollen 90 weisen entlang der Umfangsrichtung U Vorsprünge 95 auf. Unter einem Vorsprung 95 ist in diesem Zusammenhang eine lokal begrenzte Ausdehnung in Radialrichtung R zu verstehen. Beim Durchführen des Gewebes 80 zwischen den zwei Rollen 90 wird das Gewebe 80 von den Vorsprüngen 95 derart verformt, dass Erhebungen 32 des Gewebes 80 entstehen. Das Gewebe 80, welches nun die Erhebungen 32 aufweist, bildet dann die Verteileinheit 30.
In einem folgenden Schritt erfolgt ein Zuschneiden der Verteileinheit 30 auf gewünschte, beziehungsweise erforderliche Abmessungen. Das Zuschneiden der Verteileinheit 30 erfolgt beispielsweise mittels Ausstanzen oder
Laserschneiden.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer ersten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche geradlinig in Axialrichtung X verlaufen.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer ersten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der ersten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen geradlinig und parallel zueinander.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer zweiten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche in Umfangsrichtung U pendelnd in Axialrichtung X verlaufen. Vereinfacht ausgedrückt verlaufen die Vorsprünge 95 in Schlangenlinien oder zickzackförmig auf der Oberfläche 93.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer zweiten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der zweiten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen in
Schlangenlinien und gleichmäßig beabstandet zueinander.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer dritten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche geradlinig geneigt zur Axialrichtung X und geneigt zur Umfangsrichtung U verlaufen. Figur 8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer dritten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der dritten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen geradlinig und parallel zueinander. Dabei verlaufen die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 geneigt zu den die Verteileinheit 30 begrenzenden Kanten.
Figur 9 zeigt einen Schnitt durch eine Bipolarplatte 40 des
Brennstoffzellenstapels 5 aus Figur 1, welche zwischen zwei Membran- Elektroden-Einheiten 10 angeordnet ist. Die Trennplatten 75, 76 sind als flache dünne metallische Bleche ausgebildet und bilden zwischen sich den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels. Zwischen der ersten
Trennplatte 75 und der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50.
Zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der zweite
Verteilbereich 60, in welchem eine Verteileinheit 30 angeordnet ist. Die
Verteileinheit 30 ist derart angeordnet, dass die Erhebungen 32 des Gewebes 80 die Kathode 22 berühren. Ferner berührt die Verteileinheit 30 auch die zweite Trennplatte 76.
Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird in einer ersten Strömungsrichtung 43 in den ersten Verteilbereich 50 geleitet. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, wird in einer zweiten Strömungsrichtung 44 in den zweiten Verteilbereich 60 geleitet. Vorliegend verlaufen die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 parallel zueinander. Es ist auch denkbar, dass die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 entgegengesetzt oder auch orthogonal zueinander verlaufen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (2), welche
mindestens eine Membran- Elektroden- Einheit (10) mit einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (22), welche voneinander durch eine Membran (18) getrennt sind, und
mindestens eine Bipolarplatte (40), welche
einen ersten Verteilbereich (50) zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode (21) und
einen zweiten Verteilbereich (60) zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode (22) umfasst, aufweist,
umfassend folgende Schritte:
a) Erzeugen eines flachen Gewebes (80);
b) Durchführen des Gewebes (80) zwischen zwei Rollen (90), welche jeweils eine strukturierte Oberfläche (93) aufweisen, wodurch das Gewebe (80) derart verformt wird, dass Erhebungen (32) des Gewebes (80) entstehen;
c) Anordnen der so entstandenen Verteileinheit (30) in mindestens einem Verteilbereich (50, 60) der mindestens einen Bipolarplatte (40).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die Rollen (90) jeweils um eine Drehachse (A) rotieren, welche parallel zueinander verlaufen, und wobei
die Rollen (90) mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit in gegenläufige Richtung rotieren.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
die strukturierten Oberflächen (93) Vorsprünge (95) aufweisen, welche geradlinig in Axialrichtung (X) verlaufen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
die strukturierten Oberflächen (93) Vorsprünge (95) aufweisen, welche geradlinig geneigt zur Axialrichtung (X) und geneigt zur Umfangsrichtung (U) verlaufen.
5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei
die strukturierten Oberflächen (93) Vorsprünge (95) aufweisen, welche in Umfangsrichtung (U) pendelnd in Axialrichtung (X) verlaufen.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Gewebe (80) porös und elektrisch leitfähig ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Gewebe (80) mindestens eine Metall enthaltende Faser (81) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
das Gewebe (80) aus mindestens zwei unterschiedlichen Arten von Fasern erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
die Verteileinheit (30) derart in dem Verteilbereich (50, 60) angeordnet wird, dass die Erhebungen (32) des Gewebes (80) eine der Elektroden (21, 22) berühren.
10. Brennstoffzelle (2), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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