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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenstapel wird insbesondere in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs verwendet.
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Ein Brennstoffzellenstapel umfasst üblicherweise mehrere gestapelte Brennstoffzellen. An den stirnseitigen Enden des Brennstoffzellenstapels befinden sich Endplatten. Die Endplatten können auch als Druckplatten bezeichnet werden. Zumindest eine der Endplatten kann als Medienplatte ausgebildet sein und dient zum Zuführen bzw. Abführen der entsprechenden Medien zum/vom Brennstoffzellenstapel. Bei den Medien handelt es sich um Brennstoff, Oxidationsmittel und gegebenenfalls Kühlflüssigkeit.
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Die einzelne Brennstoffzelle weist in ihrem Randbereich mehrere Medienöffnungen auf. Die Medienöffnungen sind Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand fluchten die entsprechenden Medienöffnungen der unterschiedlichen Brennstoffzellen und bilden dadurch eine Medienleitung. Üblicherweise sind zumindest vier Medienleitungen vorgesehen: zum Zuführen bzw. Abführen des Brennstoffs und zum Zuführen bzw. Abführen des Oxidationsmittels. Bei Verwendung eines Kühlkreislaufs sind sechs Medienleitungen vorgesehen. Dementsprechend weist die einzelne Brennstoffzelle vier oder sechs Medienöffnungen auf.
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Üblicherweise werden die Medienöffnungen in den Brennstoffzellen bzw. in den einzelnen Elementen der Brennstoffzelle vor dem Stapeln des Brennstoffzellenstapels auf ihren endgültigen Querschnitt gefertigt. Dies erfolgt insbesondere durch Stanzen oder Ausschneiden der Medienöffnungen aus den Bipolarplatten und Elektrodenmembran-Einheiten.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, der energieeffizient betrieben werden kann. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere entlang einer Stapelachse gestapelte Brennstoffzellen. In den einzelnen Brennstoffzellen befinden sich Medienöffnungen in Form von Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand fluchten entsprechende Medienöffnungen und bilden somit Medienleitungen die sich parallel zur Stapelachse erstrecken.
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Bei dem hier offenbarten Verfahren ist vorgesehen, dass zunächst mehrere Brennstoffzellen, vorzugsweise alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, gestapelt werden. Erst daraufhin erfolgt das Bearbeiten zumindest einer Medienöffnung in zumindest einer Brennstoffzelle. Unter „Bearbeiten der Medienöffnung“ ist zu verstehen, dass die Medienöffnung (i) entweder in einen geschlossenen Bereich der Brennstoffzelle erstmalig geformt, insbesondere ausgeschnitten wird, (ii) oder eine bereits vorgeformte Medienöffnung in ihrer Querschnittsfläche und insbesondere auch ihrer Querschnittsform verändert wird. Die zweite Variante (ii) wird insbesondere bevorzugt, da hier bei der Bearbeitung im fertigen Stapel möglichst wenig Material abgenommen werden muss.
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Der Einfachheit halber ist beschrieben, dass die Medienöffnung einer Brennstoffzelle bearbeitet wird. Tatsächlich erfolgt die Bearbeitung zumindest an den Medienöffnungen der Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten, der Brennstoffzellen. Zusätzlich können auch die Medienöffnungen in dem Rahmen (Subframe) der Membranelektroden-Einheit entsprechend bearbeitet werden. Des Weiteren können mit dem hier vorgestellten Verfahren auch die Medienöffnungen in den Endplatten, Isolatorplatten, Stromabnehmerplatten oder sonstigen Platten des Brennstoffzellenstapels bearbeitet werden.
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Bei einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel sind alle Medienöffnungen einer Medienleitung hinsichtlich ihrer Größe und Form gleich. Dies hat zum Nachteil, dass die „hinteren“ Brennstoffzellen teilweise unterversorgt sind, da der Druck in der Medienleitung mit der Strömungsrichtung abnimmt. Darüber hinaus ermöglichen die einheitlichen Medienöffnungen keine individuelle Anströmung bestimmter Brennstoffzellen.
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Mit dem hier offenbarten Verfahren ist es möglich, jede einzelne Medienöffnung hinsichtlich ihrer Querschnittsgröße und Querschnittsform individuell zu gestalten. So ist es insbesondere vorgesehen, dass die Querschnittsgrößen mit der Strömungsrichtung in der Medienleitung abnehmen, sodass auch an den hinteren Brennstoffzellen ein ausreichender Druck in der Medienleitung vorliegt. Des Weiteren kann die Querschnittsform entsprechend verändert werden, um lokale Druckunterschiede und Turbulenzen zu erzeugen oder die Strömung bewusst zu lenken.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellen zwischen zwei Endplatten des Brennstoffzellenstapels endgültig verspannt werden und das Bearbeiten der zumindest einen Medienöffnung an diesem endgültig verspannten Brennstoffzellenstapel erfolgt. Unter „endgültig verspannt“ ist zu verstehen, dass die Verspannung nicht mehr gelöst wird und der Brennstoffzellenstapel in dem verspannten Zustand anschließend genutzt wird. Nach dieser endgültigen Verspannung sind die einzelnen Brennstoffzellen zueinander fixiert und es erfolgt keine Relativbewegung mehr. In diesem Zustand können die Medienöffnungen sehr exakt hinsichtlich ihrer Größe und Form angepasst werden.
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Besonders bevorzugt erfolgt nach diesem endgültigen Verspannen zunächst eine Untersuchung des Brennstoffzellenstapels. Die Bearbeitung der Medienöffnungen hinsichtlich Größe und Form erfolgt dann in Abhängigkeit des Untersuchungsergebnisses. Die Untersuchung beinhaltet insbesondere das Messen der Höhe (Zell-Pitch) einzelner Brennstoffzellen und/oder das Messen von Druckverlusten im Brennstoffzellenstapel. Aufgrund von Toleranzen können sich die Brennstoffzellen in ihrer Höhe unterscheiden. Durch entsprechende Ausgestaltung der Medienöffnungen kann trotz unterschiedlicher Höhe eine möglichst einheitliche Verteilung der Medien auf die einzelnen Brennstoffzellen erreicht werden.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Medienöffnungen vor dem Stapeln bereits existieren und einen ersten Querschnitt aufweisen. Dieser erste Querschnitt weist eine minimale Querschnittsfläche auf. Nach dem Stapeln wird der erste Querschnitt von zumindest einer Medienöffnung weiterbearbeitet. Der erste Querschnitt aller Medienöffnungen der jeweiligen Medienleitung ist vorzugsweise in allen Bipolarplatten gleich, sodass Gleichteile verwendet werden können. Nach dem Stapeln erfolgt die individuelle Bearbeitung einzelner Medienöffnungen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest in einer Medienleitung mehrere Medienöffnungen unterschiedlicher Brennstoffzellen bearbeitet werden. Insbesondere erhalten die Medienöffnungen durch die Bearbeitung unterschiedliche Querschnittsformen und/oder unterschiedliche Querschnittsflächen.
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Besonders bevorzugt wird in zumindest einer Medienöffnung zumindest ein in die Medienleitung ragender Fortsatz ausgebildet. Dieser Fortsatz dient zur Beeinflussung der Strömung in der Medienleitung. Mittels dieses Fortsatzes können bewusst lokale Turbulenzen oder Strömungsumleitungen erzeugt werden.
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Die vorgesehene Bearbeitung nach dem Stapeln der Brennstoffzellen erfolgt vorzugsweise durch Schneiden. Dabei werden entsprechende Bereiche in den Brennstoffzellen ausgeschnitten, um die Querschnittsfläche der Medienöffnung zu erweitern und gegebenenfalls eine gewünschte Form des Querschnitts zu erzeugen.
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Das Schneiden erfolgt insbesondere durch Laserschneiden. Mittels Laserschneiden ist eine besonders feine Bearbeitung der Medienöffnungen möglich.
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Während der Bearbeitung der Medienöffnungen wird vorzugsweise in den Medienleitungen ein Gasstrom, insbesondere mit Schutzgas, erzeugt. Zusätzlich oder alternativ erfolgt ein Absaugen aus der Medienleitung. Dadurch wird vermieden, dass die Partikel innerhalb des Brennstoffzellenstapels verbleiben.
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Innerhalb der einzelnen Bipolarplatte sind entsprechende Medienöffnungen über Medienkanäle miteinander verbunden. So verbindet beispielsweise zumindest ein Medienkanal die Medienöffnung für den Kathodengaszulauf mit der Medienöffnung für den Kathodengasablauf. Entsprechend verbindet zumindest ein Medienkanal die Medienöffnung für den Anodengaszulauf mit der Medienöffnung für den Anodengasablauf. Der Gasstrom, insbesondere mit Schutzgas, kann dabei durch die eine Medienleitung und den entsprechenden Medienkanal in die andere Medienleitung, in der die Bearbeitung erfolgt, geführt werden.
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In der Separatorplatte, insbesondere Bipolarplatte, ist eine Kante der jeweiligen Medienöffnung dem zugehörigen Medienkanal zugewandt. Dabei handelt es sich insbesondere um die innenliegende Kante der Medienöffnung. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass diese Kante bereits vor dem Stapeln bearbeitet ist und nach dem Stapeln nicht mehr bearbeitet wird. Dadurch erfolgt im gestapelten Zustand keine Bearbeitung unmittelbar an den Medienkanälen.
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Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Werkzeug für die Bearbeitung, insbesondere für das Laserschneiden, durch eine der Endplatten hindurch in die Medienleitung eingeführt wird. Insbesondere ist dabei der Brennstoffzellenstapel so ausgerichtet, dass die Medienleitung in der Endplatte nach unten offen ist und somit das Werkzeug von unten eingeführt wird. Dadurch fallen bei der Bearbeitung anfallende Partikel schwerkraftbedingt nach unten.
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Des Weiteren wird vorzugsweise ein Greifer während der Bearbeitung verwendet. Der Greifer greift den Ausschnitt, der bei der Bearbeitung ausgeschnitten wird und führt den Ausschnitt nach dem Ausschneiden nach außen. Beispielsweise saugt der Greifer den Ausschnitt an.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel wird insbesondere in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug verwendet. Der Brennstoffzellenstapel wird vorzugsweise nach dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere entlang einer Stapelachse gestapelte Brennstoffzellen, wobei die einzelnen Brennstoffzellen Medienöffnungen in Form von Durchgangsausnehmungen aufweisen. Im Stapel fluchten entsprechende Medienöffnungen zur Bildung von Medienleitungen. In zumindest einer Medienleitung weisen die Medienöffnungen unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Querschnittsformen auf. Insbesondere bezieht sich dies auf die Separatorplatten der einzelnen Brennstoffzellen, sodass in zumindest einer Medienleitung die Medienöffnungen unterschiedlicher Separatorplatten unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Bei den Separatorplatten handelt es sich insbesondere um Bipolarplatten. Je nach ihrer Funktion ist der einzelnen Medienleitung eine bestimmte Strömungsrichtung zugeordnet. Die Querschnittsflächen der Medienöffnungen der jeweiligen Medienleitung nehmen vorzugsweise in Richtung stromabwärts ab.
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Wie im Rahmen des Verfahrens bereits beschrieben, können einzelne Medienöffnungen entsprechende Fortsätze zur bewussten Beeinflussung der Strömung in der Medienleitung aufweisen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, hergestellt nach dem offenbarten Verfahren,
- 2 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels aus 1, und
- 3 eine schematische Darstellung des offenbarten Verfahrens.
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Die 1 bis 3 verdeutlichen den beanspruchten Brennstoffzellenstapel 1 sowie das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 1.
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1 zeigt rein schematisch den Brennstoffzellenstapel 1 mit Brennstoffzellen 4, Stromabnehmerplatten 5, Isolatorplatten 6 und Endplatten 2, 3. Die einzelnen Elemente des Brennstoffzellenstapels 1 sind entlang einer Stapelachse 13 gestapelt.
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An einer Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich die erste Endplatte 2, hier ausgebildet als Medienplatte. Über diese Endplatte 2 erfolgt das Zuführen der Medien zum Brennstoffzellenstapel 1 und das Abführen der Medien vom Brennstoffzellenstapel 1.
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Zwischen den Brennstoffzellen 4 und den Endplatten 2, 3 befinden sich Stromabnehmerplatten 5. Die Stromabnehmerplatten 5 sind gegenüber den Endplatten 2, 3 über Isolatorplatten 6 elektrisch isoliert.
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In der ersten Endplatte 2, in den Brennstoffzellen 4 und in der dazwischen liegenden Isolatorplatte 6 und Stromabnehmerplatte 5 sind jeweils mehrere Medienöffnungen 7 ausgebildet. Entsprechende Medienöffnungen 7 fluchten im Brennstoffzellenstapel 1 und bilden dadurch Medienleitungen 8, die zweckmäßig parallel zur Stapelachse 13 ausgerichtet sind.
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2 zeigt eine Separatorplatte einer der Brennstoffzellen 4 in einer Ebene senkrecht zur Stapelachse 13.
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Im Folgenden wird die Bearbeitung der Medienöffnungen 7 in der einzelnen Separatorplatte, insbesondere Bipolarplatte, erläutert. Allerdings kann dieselbe Bearbeitung auch in den weiteren Bestandteilen des Brennstoffzellenstapels 1 angewandt werden, insbesondere in dem Rahmen der Membranelektroden-Einheit, in der Isolatorplatte 6, der Stromabnehmerplatten 5 und der ersten Endplatte 2.
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Gemäß 2 weist die Brennstoffzelle 4 sechs Medienöffnungen 7 auf. Die schematische Darstellung in 2 zeigt die Verbindung von zwei Medienöffnungen 7 über einen hier mäanderförmigen Medienkanal 9. Der Medienkanal 9 verteilt das entsprechende Medium, den Brennstoff oder das Oxidationsmittel, über den aktiven Bereich der Brennstoffzelle 4.
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Die Bearbeitung gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird anhand von einer Medienöffnung 7 erläutert. Tatsächlich können alle Medienöffnungen 7 entsprechend bearbeitet werden. Die Medienöffnung 7 weist vor dem Bilden des Brennstoffzellenstapels 1 einen ersten Querschnitt 10 auf. Nach dem Stapeln der Brennstoffzellen 4, und insbesondere nach dem Verspannen des Brennstoffzellenstapels 1, z.B. mittels der Endplatten 2, 3 und entsprechenden Zugelementen, erfolgt die Bearbeitung der Medienöffnungen 7 zur Herstellung des zweiten Querschnitts 11. Dabei wird zumindest die Querschnittsfläche der Medienöffnung 7 vergrößert. Insbesondere wird dabei auch die Querschnittsform der Medienöffnung 7 verändert. Im gezeigten Beispiel umfasst der zweite Querschnitt 11 einen in die Medienleitung 8 ragenden Fortsatz 12.
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3 zeigt schematisch die Durchführung des Verfahrens. Gezeigt ist ein endgültig verspannter Brennstoffzellenstapel 1. Die zu bearbeitende Medienleitung 8 ist nach unten offen. Entsprechend wird ein Werkzeug 14 für die Bearbeitung der Medienöffnungen 7 von unten eingeführt. Das Werkzeug 14 ist insbesondere zum Laserschneiden ausgebildet. Mit dem Werkzeug 14 können einzelne Medienöffnungen 7 innerhalb der Medienleitung 8 zur Erzeugung des gewünschten zweiten Querschnitts 11 bearbeitet werden.
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Damit keine Partikel innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 verbleiben, wird vorzugsweise während der Bearbeitung ein Gasstrom in der Medienleitung 8 erzeugt und/oder es erfolgt eine Absaugung aus der Medienleitung 8. Ferner ist es möglich, während der Bearbeitung einen nicht dargestellte Greifer zu verwenden, der den zu entfernenden Abschnitt fixiert und aus dem Brennstoffzellenstapel 1 entfernt.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- erste Endplatte
- 3
- zweite Endplatte
- 4
- Brennstoffzellen
- 5
- Stromabnehmerplatten
- 6
- Isolatorplatten
- 7
- Medienöffnungen
- 8
- Medienleitungen
- 9
- Medienkanal
- 10
- erster Querschnitt
- 11
- zweiter Querschnitt
- 12
- Fortsatz
- 13
- Stapelachse
- 14
- Werkzeug
