Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kontaktvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung ei ner Kontaktvorrichtung, eine elektrochemische Zelle sowie einen elektrochemi schen Zellenstapel.

Kontaktvorrichtungen dienen zur elektrischen sowie bedarfsweise zur thermi schen Kontaktierung mindestens zweier technischer Komponenten. Hierfür ist die Kontaktvorrichtung üblicherweise flächig ausgestaltet und wird zwischen die zwei zu kontaktierenden Komponenten gebracht, sodass ein beiderseitiger Kon takt zu den besagten Komponenten entsteht.

Zur elektrischen Kontaktierung weist die Kontaktvorrichtung eine hohe elektri sche Leitfähigkeit auf. Sofern zwischen den beiden elektrisch zu kontaktieren den Komponenten eine elektrische Spannung anliegt, führt die Anordnung der Kontaktvorrichtung zwischen den Komponenten zu einem Stromfluss durch die Kontaktvorrichtung.

Sofern kein Erfordernis nach einer elektrischen Isolation zwischen zwei ther misch zu verbindenden Komponenten besteht, kann die vorstehend beschrie bene Kontaktvorrichtung auch zur thermischen Kontaktierung der Komponenten genutzt werden. Dabei stellt eine der Komponenten, z.B. ein Elektronikbauteil, eine Wärmequelle dar, während die andere der beiden Komponenten, z.B. ein Kühlelement, eine Wärmesenke darstellt.

Sowohl bei der elektrischen als auch bei der thermischen Kontaktierung ist die Stromleitung bzw. die Wärmeleitung maßgeblich von den jeweiligen Kontaktflä chen zwischen der Kontaktvorrichtung und den beiden zu kontaktierenden Kom ponenten abhängig. Eine geringe Kontaktfläche zwischen mindestens einer Komponente und der Kontaktvorrichtung führt zu einem hohen elektrischen so wie zu einem hohen thermischen Kontaktwiderstand. Um den Kontaktwiderstand zur Erreichung einer guten elektrischen sowie thermischen Leitfähigkeit zu sen ken, ist es daher grundsätzlich erwünscht, die Kontaktfläche zwischen der Kon taktvorrichtung und mindestens einer der zu kontaktierenden Komponenten zu maximieren. Dies ist jedoch erschwert, wenn eine der zu kontaktierenden Kom ponenten eine unebene Oberfläche aufweist oder etwa als ungebundener Werk stoff, etwa als flüssiger Elektrolyt, vorliegt.

Eine bekannte Möglichkeit, die Kontaktfläche zwischen der Kontaktvorrichtung und einer zu kontaktierenden Komponente zu erhöhen, stellt die Ausgestaltung einer Kontaktvorrichtung mit einem elektrisch leitfähigen Substrat sowie einem elektrisch leitfähigen und verformbaren Kontaktmittel dar, wobei das Substrat und das Kontaktmittel in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leit fähig miteinander verbunden sind.

Als Substrat kommen beispielweise metallische Bleche oder elektrisch leitfähige Kunststoffe zum Einsatz, welche mittels eines chemischen Klebemittels mit dem Kontaktmittel, z.B. Stahlwolle, verbunden werden. Zur elektrischen oder zur thermischen Kontaktierung wird das Kontaktmittel in Berührung mit der zu kon taktierenden Komponente gebracht. Dabei passt sich die Oberflächenkontur des Kontaktmittels an die Oberfläche der zu kontaktierenden Komponente an. Hier durch wird die gemeinsame Kontaktfläche maximiert.

Typischerweise ist das Kontaktmittel stoffdurchlässig, insbesondere porös aus gestaltet. Diese Eigenschaften sind insbesondere vorteilhaft, wenn das Kontakt mittel zur Kontaktierung eines Elektrolyten dient und hierzu in den Elektrolyten getaucht und/oder von diesem durchströmt werden kann. Die zu erhöhende Kontaktfläche wird dabei nicht nur durch die äußerliche Oberfläche des Kontakt mittels gebildet, sondern zu einem wesentlichen Teil auch durch innenliegende, von außen nicht sichtbare Oberflächen mindestens eines Zwischenraums inner halb des Kontaktmittels. Üblicherweise ist ein solcher Zwischenraum als eine Pore oder als eine Vielzahl von Poren in dem Kontaktmittel ausgebildet.

Der Nachteil vorbekannter Kontaktvorrichtungen besteht darin, dass das Sub strat vor dem Auftrag des chemischen Klebemittels aufwendig gereinigt werden muss. Dies ist erforderlich, um eine hohe Qualität der Klebeverbindung, vor al lem hinsichtlich der erreichbaren Haftung und ihrer Lebensdauer, sicherstellen zu können. Darüber hinaus sind Klebeverbindungen Alterungsprozessen unter worfen, wodurch sich ihre Festigkeit verringert. Zudem können, je nach Art des Klebemittels, lange Aushärtezeiten erforderlich sein, bis die zu fügenden Be standteile der Kontaktvorrichtung endgültig und hinreichend fest miteinander verbunden sind. Ferner gehen Klebeverbindungen mit Nachteilen einher, wenn das Kontaktmittel einem korrosiven Elektrolyten ausgesetzt ist. Dabei muss die Klebeverbindung eine gute, jedoch nur schwer und nur unter hohen Kosten er reichbare, chemische Beständigkeit aufweisen.

Insgesamt sind bekannte Kontaktvorrichtungen aufwendig und unwirtschaftlich in der Herstellung und sind in ihren Einsatzmöglichkeiten begrenzt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine vielseitig einsetzbare Kontaktvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine gute thermi sche und elektrische Kontaktierung bei gleichzeitig einfacher Herstellbarkeit er laubt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Kontaktvorrichtung gemäß Anspruch 1 , eine elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 8, einen elektrochemischen Zellensta pel gemäß Anspruch 15, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvor richtung gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung umfasst in an sich bekannter Weise ein elektrisch leitfähiges Substrat sowie mindestens ein elektrisch leitfähiges und verformbares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel. Das Substrat und das Kontaktmittel sind in einem Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig miteinander verbunden.

Wesentlich ist, dass das Substrat und das Kontaktmittel in dem Kontaktbereich mittels eines Polymermaterials miteinander verschweißt sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist, dass das Kontaktmittel so wie das Substrat bekannter Kontaktvorrichtungen jeweils eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Einerseits erlaubt diese in an sich be- kannter Weise eine einfache elektrische und bedarfsweise thermische Kontak tierung zweier technischer Komponenten. Andererseits kann insbesondere die gute elektrische Leitfähigkeit der Komponenten dazu genutzt werden, auf einfa che Weise eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kon taktmittel herzustellen.

Insbesondere können das Substrat und das Kontaktmittel dazu genutzt werden, mittels einer Schweißverbindung verbunden zu werden, indem ein elektrischer Strom zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel erzeugt wird. Das in dem Kontaktbereich angeordnete Polymermaterial, vorzugsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), bewirkt zumindest teilweise eine lokale Erhöhung des elektrischen Kon taktwiderstandes. Bei Erzeugung des Stromflusses bewirkt der erhöhte elektri sche Kontaktwiderstand eine Wärmeentwicklung in dem Kontaktbereich, durch welche das Polymermaterial aufgeschmolzen wird. Dabei werden das Substrat und das Kontaktmittel stoffschlüssig und mit hoher mechanischer und korrosiver Beständigkeit miteinander verbunden.

Zur Erzeugung der Schweißverbindung wird folglich eine physikalische Zustand sänderung zumindest des Polymermaterials oder der dem Kontaktmittel zuge wandten Oberfläche des Substrats herbeigeführt, wodurch die beiden genannten Fügepartner in dem Kontaktbereich miteinander verbunden werden. Das Poly mermaterial weist dabei eine physikalisch abbindende Wirkung in dem Kontakt bereich auf, und unterscheidet sich somit von Klebstoffen, welche eine che misch abbindende Wirkung haben. Es handelt sich bei dem Polymermaterial folglich nicht lediglich um Klebstoff, in welchem eine Vernetzungsreaktion statt finden muss, um die gewünschten Haftkräfte zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Polymermaterial, welches grundsätzlich isolierende Eigenschaften hat, der Ausgestaltung eines guten elektrischen Kontakts zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel nicht ent gegensteht. Es ist jedoch eine weitere Erkenntnis, dass die Gesamtmenge und/oder die Dichte des Polymermaterials in dem Kontaktbereich in Abhängig keit davon eingestellt werden kann, welche Anforderungen an die Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel bestehen. Eine größere Menge an Polymermaterial geht dabei mit positiven Auswirkungen für die mechanischen Eigenschaften der Verbindung einher, während eine geringere Menge an Poly mermaterial mit positiven Auswirkungen für die elektrische Leitfähigkeit einher geht.

Eine weitere erfindungsbegründende Erkenntnis ist, dass die Wärmeentwicklung während des Schweißvorganges sich räumlich im Wesentlichen auf den Kontakt bereich beschränkt. Dies ermöglicht es insbesondere, das Substrat als dünn wandige Komponente auszubilden, welche sich durch den vorstehend beschrie benen Herstellprozess infolge geringer thermischer Einflüsse nur geringfügig verformt. Dadurch werden einerseits die Vorteile einer Schweißverbindung, ins besondere hinsichtlich hoher Festigkeit sowie chemischer Beständigkeit, er reicht, während die üblichen Nachteile von Schweißverbindungen, insbesondere hinsichtlich thermisch bedingter Verformungen, vollständig umgangen werden.

Die Erfindung ist weiterhin in der Erkenntnis begründet, dass das Kontaktmittel zur Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung im Gegensatz zu bekannten Kontaktmitteln nur geringfügig, vorzugsweise jedoch nicht, herstellungsbedingt verformt werden muss. Üblicherweise muss zur Schaffung einer bekannten stoff schlüssigen Verbindung, insbesondere einer Klebeverbindung, zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat ein hoher Anpressdruck in dem Kontaktbereich erzeugt werden. Hierbei wird das Kontaktmittel zumindest teilweise irreversibel verformt. Dies ist insbesondere bei porösen und/oder stoffdurchlässigen Kon taktmitteln nachteilig. Denn durch die Kompression des Kontaktmittels ver schlechtert sich seine geometrische Anpassungsfähigkeit an eine zu kontaktie rende Komponente. Sofern die zu kontaktierende Komponente ein Elektrolyt ist, verringert sich auch eine innenliegende Oberfläche des Kontaktmittels und der Strömungswiderstand in dem Kontaktmittel steigt.

Durch die Erzeugung einer Schweißverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel können die vorstehend genannten Nachteile allesamt behoben werden. Denn die besagte Schweißverbindung erlaubt eine insgesamt bessere Anbindung des Kontaktmittels an das Substrat, sodass nahezu kein Anpress druck in dem Kontaktbereich erforderlich ist und die Nachteile, die mit der Ver formung des Kontaktmittels einhergehen, nicht erst entstehen können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kontaktvorrichtung ist das Kontaktmittel gegen über einem unverformten Zustand vor dem Verschweißen mit Substrat um maxi mal 5% komprimiert.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Kontaktbereich zumindest teilweise punktuell oder in Gestalt einer ebenen oder gekrümmten Fläche zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat ausgebildet ist. Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, dass der Kontaktbereich sich zumindest teilweise in das Substrat und/oder in das Kontaktmittel erstreckt, insbesondere wenn das verflüssigte Po lymermaterial während des Aufschmelzens in das Substrat oder das Kontaktmit tel eindringt oder etwa bereits vor dem Schmelzen in dem Substrat oder in dem Kontaktmittel enthalten ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Kontaktmittel ein elektrisch leit fähiges Textilmaterial, vorzugsweise Grafitfilz. Ferner umfasst das Substrat be vorzugt ein Verbundmaterial mit einer Polymermatrix, in welcher eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Partikel, insbesondere Graphitpartikel, gebunden sind.

Das elektrisch leitfähige Textilmaterial kann grundsätzlich einen beliebigen Bin dungstyp aufweisen und somit beispielsweise als Gewebe oder Gelege vorlie gen. Eine gute elektrische sowie bedarfsweise thermische Leitfähigkeit lässt sich erreichen, indem die in dem Textilmaterial verwendeten Fäden oder Fasern oder Faserbündel elektrisch und thermisch leitfähig ausgebildet sind. Untersu chungen der Anmelderin haben gezeigt, dass insbesondere Graphitfilz aufgrund seiner guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit mit besonderen Vortei len bei der Ausgestaltung des Kontaktmittels einhergeht. Darüber hinaus weist Graphitfilz eine gute Handhabbarkeit auf und eignet sich in besonderem Maße als Fügepartner bei der Erzeugung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung.

Das Substrat umfasst ein Verbundmaterial mit einer Polymermatrix sowie einer, in der Polymermatrix nicht gelösten, zweiten Komponente, welche in Gestalt der elektrisch leitfähigen Partikel vorliegt. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass eine gute elektrische Leitfähigkeit des Substrats trotz elektrisch isolierender Eigenschaften der Polymermatrix erreicht werden kann, wenn die Dichte der leitfähigen Partikel, insbesondere Graphitpartikel, hinreichend hoch ist. Bevorzugt entspricht der Anteil der leitfähigen Partikel in der Polymermatrix 85%, um eine hohe Leitfähigkeit zu erzielen.

Um eine besonders hohe Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zu errei chen, weisen die Polymermatrix und das Polymermaterial Stoffe aus derselben Stoffgruppe auf, z.B. der Stoffgruppe der Thermoplasten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Polymermaterial zumindest teilweise in der Polymermatrix enthalten.

Gemäß vorstehend beschriebener Weiterbildung weist die Polymermatrix des Substrats eine homogen verteilte oder eine in dem Kontaktbereich konzentrierte Menge des Polymermaterials auf. Während der Erzeugung der Schweißverbin dung wird somit das Substrat in dem Kontaktmittel lokal aufgeschmolzen und die stoffschlüssige Schweißverbindung zu dem Kontaktmittel geschaffen. Ein Vor teil, der mit der vorstehend beschriebenen Weiterbildung einhergeht, ist, dass gänzlich auf zusätzlich erforderliche Hilfsstoffe verzichtet werden kann, wodurch in der Herstellung der Kontaktvorrichtung insgesamt weniger Handhabungsauf wand entsteht.

Alternativ oder zusätzlich kann die Verwendung eines zusätzlichen Hilfsstoffes zu einer erhöhten Festigkeit der Schweißverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel führen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung liegt das Polymermaterial daher zumindest teilweise als ein Hilfsstoff vor, welcher in dem Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel angeordnet ist.

Durch die vorstehend beschriebene Weiterbildung lässt sich die Festigkeit der Schweißverbindung, wie oben beschrieben, verbessern. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Polymermaterial in dem Substrat enthalten ist. Vorzugsweise ist das Polymermaterial nicht in dem Substrat enthalten. Vielmehr ist es eine Erkenntnis der Anmelderin, dass sich die Eigenschaften der Bestand teile der Kontaktvorrichtung hinsichtlich verschiedener Anforderungen besser optimieren lassen, wenn das Substrat durch sein Material nicht zur Ausgestal tung der stoffschlüssigen Verbindung dienen muss. Stattdessen können das Substrat sowie das Kontaktmittel durch eine geeignete Materialwahl alleine in Hinblick auf eine gute elektrische und bedarfsweise thermische Leitfähigkeit hin optimiert sein, während der in dem Kontaktbereich angeordnete Hilfsstoff alleine in Hinblick auf einen niedrigen Schmelzpunkt sowie eine hohe Festigkeit hin op timiert ist. Dadurch wird eine einfache Herstellung der Kontaktvorrichtung bei gleichzeitig guten mechanischen, elektrischen sowie thermischen Eigenschaften ermöglicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Kontaktbereich mindestens zwei Teilbereiche auf, wobei in einem der Teilbereiche eine größere Menge an Poly mermaterial angeordnet ist als in dem anderen der beiden Teilbereiche.

Untersuchungen der Anmelderin zeigten weiterhin, dass das in dem Kontaktbe reich befindliche Polymermaterial nicht notwendigerweise homogen in dem Kon taktbereich verteilt werden muss, sondern zur Verbesserung der mechanischen sowie der elektrischen und thermischen Eigenschaften inhomogen verteilt sein kann. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Dichte des Polymermaterials in denjeni gen Bereichen reduziert ist, in denen ein geringer elektrischer Kontaktwider stand von Vorteil ist, während die Dichte des Polymermaterials in denjenigen Bereichen erhöht ist, in denen eine hohe mechanische Festigkeit sowie hohe korrosive Beständigkeit vorteilhaft ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist einer der Teilbereiche frei von Polymer material, wobei das Kontaktmittel in dem Teilbereich, welcher frei von Polymer material ist, unmittelbar elektrisch leitfähig mit dem Substrat verbunden ist.

Die vorstehend beschriebene vorteilhafte Weiterbildung erlaubt es, eine kon struktive Funktionstrennung innerhalb des Kontaktbereiches vorzusehen, wobei der eine der Teilbereiche alleine zur Ausgestaltung der stoffschlüssigen Verbin dung und der andere der Teilbereiche alleine zur Ausgestaltung einer guten elektrisch leitenden Verbindung dient. Der Teilbereich, in welchem die größere Menge an Polymermaterial angeordnet ist, dient zur Schaffung der stoffschlüssi gen Schweißverbindung, während der Teilbereich, in welchem kein Polymerma terial angeordnet ist, zur Schaffung der elektrisch leitenden Verbindung dient. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass die Teilbereiche je weils eine geometrische Form haben, welche die Wärme- oder Stromdichtever teilung in der Ebene der Kontaktvorrichtung, insbesondere im Substrat, begüns tigt. So kann das Polymermaterial in einem regelmäßigen Muster, z.B. in Form von Streifen oder konzentrischen Kreisen in dem Kontaktbereich angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Kontaktbereich in mehr als zwei Teilbereiche unter teilt.

Es liegt ferner im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, das Substrat in Ab hängigkeit der Anzahl und/oder Geometrie und/oder der Lage der Teilbereiche auszubilden. Hierbei weist das Substrat selbst mindestens einen Bereich auf, in dem das Polymermaterial eingebracht ist und daher mit einer guten Schweißbar keit einhergeht. Bei der vorteilhaften Ausführungsform, bei der das Substrat als Verbundmaterial aus einer Polymermatrix mit darin gebundenen leitfähigen Par tikeln ausgestaltet ist, ist die Dichte der Partikel in dem Bereich der stoffschlüs sigen Verbindung vorzugswese geringer, als die Dichte der Partikel in demjeni gen Bereich, in dem das Substrat zur elektrischen Kontaktierung unmittelbar mit dem Kontaktmittel verbunden ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Substrat auf einer dem Kontaktmittel abgewandten Seite in einem zweiten Kontaktbereich stoffschlüssig und elektrisch leitfähig mit einem zweiten Kontaktmittel verbunden, wobei das Sub strat und das zweite Kontaktmittel mittels eines zweiten Polymermaterials mitei nander verschweißt sind.

Die vorstehend beschriebene Weiterbildung der Kontaktvorrichtung ermöglicht eine gute elektrische oder bedarfsweise thermische Kontaktierung zweier Kom ponenten, welche beide eine unebene Oberfläche aufweisen oder ungebunden, z. B. in Gestalt eines Elektrolyten vorliegen. Die zwei Kontaktbereiche sind räumlich voneinander getrennt. Die Erzeugung der stoffschlüssigen Schweißver bindung erfolgt zwischen dem Substrat und den beiden Kontaktmitteln, indem das Substrat zwischen den beiden Kontaktmitteln angeordnet wird und das je weils zwischen dem Substrat den beiden Kontaktmitteln angeordnete erste und zweite Polymermaterial mittels eines elektrischen Stromes aufgeschmolzen wird. Es liegt im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass das zweite Polymer material zumindest teilweise die gleiche Stoffzusammensetzung aufweist wie das erste Polymermaterial, oder sich von diesem unterscheidet.

Es liegt ferner im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass die beiden Schweißverbindungen identisch oder jedoch unterschiedlich ausgestaltet sind. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat an einer Seite zumindest teilweise aus Polymermaterial besteht, welches oberflächennah aufgeschmolzen wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und dem einem Kontakt mittel zu erzeugen, während auf der anderen Seite ein Hilfsstoff aufgetragen ist, welcher das zweite Polymermaterial enthält, und ebenfalls aufgeschmolzen wird, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat und dem anderen Kontaktmittel zu erzeugen.

Die eingangs genannte Aufgabe ist weiterhin durch eine erfindungsgemäße, elektrochemische Zelle gelöst. Diese weist in an sich bekannter Weise einen Zellraum, eine ionendurchlässige Zellmembran und eine Elektrode auf. Der Zell raum ist dabei zu mindestens einer Seite durch die Zellmembran begrenzt und die Elektrode ist in dem Zellraum angeordnet.

Es ist wesentlich für die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle, dass die Elektrode zumindest teilweise als erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung oder eine vorteilhafte Weiterbildung davon ausgestaltet ist. Das Substrat ist im We sentlichen parallel zu der Zellmembran angeordnet. Das Kontaktmittel ist zwi schen dem Substrat und der Zellmembran angeordnet und füllt den Zellraum zu mindest teilweise aus.

Es ist eine erfindungswesentliche Erkenntnis, dass die oben beschriebene Kon taktvorrichtung eine besonders gute Eignung für einen Einsatz als Elektrode zur Kontaktierung eines Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle aufweist.

Denn gegenüber bereits bekannten Kontaktvorrichtungen weist die erfindungs gemäße Kontaktvorrichtung aufgrund der Schweißverbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Substrat und dem elektrisch leitfähigen Kontaktmittel eine hohe korrosive Beständigkeit auf. Gleichzeitig geht die Verbindung mit einer ho hen Festigkeit einher ohne das Kontaktmittel in der Herstellung komprimieren zu müssen. Insbesondere ist es vorteilhaft das Kontaktmittel stoffdurchlässig aus zubilden. Denn bei einer geringen Komprimierung des Kontaktmittels, verringert sich der Strömungswiderstand innerhalb des Kontaktmittels und die Kontaktflä che für den zu kontaktierenden Elektrolyten wird maximiert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Zellrahmenelement zwischen der Zell membran und dem Substrat angeordnet, wobei das Zellrahmenelement das Kon taktmittel randseitig begrenzt.

Die vorstehend beschriebene Anordnung des Zellrahmenelements ermöglicht es, auch bei der Montage der elektrochemischen Zelle sicherzustellen, dass das Kontaktmittel nicht übermäßig, insbesondere um nicht mehr als 5% gegenüber einem unverformten Zustand vor dem Verschweißen mit dem Substrat kompri miert wird. Gleichzeitig können die Komponenten der elektrochemischen Zelle in an sich bekannter Weise geschichtet werden, sodass keine zusätzlichen Maß nahmen vorgesehen werden müssen, um das Kontaktmittel mechanisch zu schonen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der elektrochemischen Zelle ist das Substrat auf einer dem Kontaktmittel abgewandten Seite mit einem Stromsammler elektrisch kontaktiert.

Gemäß vorstehend beschriebener Weiterbildung dient die Kontaktvorrichtung ei nerseits zur elektrischen Kontaktierung des Elektrolyten in der elektrochemi schen Zelle und andererseits zur elektrischen Kontaktierung des Stromsamm lers. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat sowie der Stromsammler je weils eine glatte Oberfläche aufweisen, an denen sie aneinander anliegen. Es liegt jedoch auch im Rahmen der vorteilhaften Weiterbildung, dass das Substrat und der Stromsammler zueinander korrespondierende Kontaktmittel aufweisen, welche zur Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstandes und/oder zur ge genseitigen Ausrichtung des Substrats und des Stromsammlers während der Montage dienen.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist das Substrat der Kontaktvorrich tung zweiseitig mit jeweils einem Kontaktmittel verschweißt. Das eine Kontakt- mittel ist dabei in bereits erläuterter Weise in den Zellraum der elektrochemi schen Zelle gewandt, während das andere Kontaktmittel in einen Zellraum einer benachbarten elektrochemischen Zelle gewandt ist. Das Substrat ist hierbei als Bipolarplatte ausgestaltet.

Die vorstehend beschriebene Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass die Kon taktvorrichtung dazu genutzt werden kann, die Zellräume zweier benachbarter elektrochemischer Zellen räumlich voneinander zu trennen und gleichzeitig die in den Zellräumen befindlichen Elektrolyten mit einer großen Kontaktfläche und hoher korrosiver Beständigkeit zu kontaktieren. Dabei dient das Substrat, ent sprechend vorstehender Beschreibung als Bipolarplatte, welche einen Ladungs trägerfluss zwischen den getrennten Elektrolyten ermöglicht, ohne jedoch eine Vermengung der Elektrolyte zuzulassen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Substrat auf einer dem Zellraum zugewandten Seite mindestens eine Vertiefung auf, welche durch mindestens einen Steg begrenzt ist und der Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel zumindest teilweise auf dem Steg ausgebildet ist.

Die zumindest einseitig angeordnete Vertiefung dient vorzugsweise dazu, einen in die elektrochemische Zelle eingebrachten Stoffstrom zu leiten. Dies ist insbe sondere vorteilhaft, wenn der besagte Stoffstrom den Zellraum der elektroche mischen Zelle durchströmt. Die Vertiefung ist vorzugsweise mäanderartig auf ei ner dem Kontaktmittel zugewandten Seite des Substrats ausgestaltet. Vorzugs weise weist das Substrat mehrere Vertiefungen auf.

Der Steg dient zur Begrenzung der Vertiefung. Die Oberfläche des Steges dient zur Ausgestaltung zumindest eines Teils des Kontaktbereichs zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel. Das Kontaktmittel ist vorzugsweise flächig aus gestaltet, und entspricht in seiner Grundform im Wesentlichen der Grundform des Substrats. Dabei muss die Geometrie des Kontaktmittels nicht an den Ver lauf der Vertiefung oder etwa der Lage des Steges angepasst sein. Vielmehr können das Kontaktmittel und das Substrat während der Herstellung der Kon taktvorrichtung flächig aneinander angeordnet und lediglich in den Bereichen der Stege und nur dort, wo das Polymermaterial angeordnet ist, stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist das Kontaktmittel jedoch nicht in der Vertiefung angeordnet, sondern nur an der Oberfläche des Steges. Dadurch ist der Strömungswiderstand in der Vertiefung reduziert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrochemische Zelle als Redox- Flow-Zelle ausgestaltet und der Zellraum mit einem Elektrolyten, vorzugweise einem Vanadium enthaltenden Elektrolyten, durchströmbar.

Eine Redox-Flow-Zelle ist üblicherweise ein Bestandteil eines Redox-Flow-Sys- tems, welches zwei Elektrolyttanks mit jeweils einer Pumpvorrichtung umfasst.

In den Elektrolyttanks sind Elektrolyten gespeichert, welche mittels ihrer jeweili gen Pumpvorrichtung durch jeweils einen von mindestens zwei Zellräumen der Redox-Flow-Zelle gefördert werden. Die Zellräume sind dabei durch die ionen permeable Membran voneinander getrennt.

Bei der Durchströmung mit dem Elektrolyten findet in den Zellräumen eine elekt rochemische Reaktion statt, wobei aus dem einen Elektrolyten, welcher einen der Zellräume durchströmt, Ionen sowie Elektronen gelöst werden. Die Ionen gelangen durch die ionenpermeable Membran in den anderen Zellraum der Re- dox-Flow-Zelle, während die Elektronen über das Kontaktmittel in die Kontakt vorrichtung gelangen und über eine mittelbare oder unmittelbare elektrische Kontaktierung als elektrischer Strom nutzbar gemacht werden.

In vorbekannten Redox-Flow-Zellen werden Kontaktvorrichtungen eingesetzt, welche ein elektrisch leitfähiges und stoffdurchlässiges Kontaktmittel sowie ein elektrisch leitfähiges Substrat umfassen. Allerdings sind die Komponenten be kannter Kontaktvorrichtungen nicht miteinander verschweißt. Vielmehr werden das Kontaktmittel und das Substrat in bereits beschriebener Weise miteinander verklebt oder mittels der Gehäusekomponenten der Redox-Flow-Zelle verpresst und dabei gegenüber einem unverformten Zustand um 20%-30% komprimiert. Dadurch ist das Kontaktmittel nur unter hohem Druck mit einem Elektrolyten durchströmbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrode kann der Elektrolyt somit im Vergleich zu Redox-Flow-Zellen mit konventionellen Kon taktvorrichtungen und stark verformten Kontaktmitteln bei gleichem Volumen strom mit geringerem Druck in den Zellraum gefördert werden. Die Ausgestaltung der Elektrode als erfindungsgemäße Kontaktvorrichtung un terscheidet die erfindungsgemäße Redox-Flow-Zelle von vorbekannten Redox- Flow-Zellen. Der Einsatz der Kontaktvorrichtung, bei der das Substrat und das Kontaktmittel miteinander verschweißt sind, erlaubt es, die Gesamteffizienz im Betrieb einer Redox-Flow-Zelle deutlich zu steigern, da das Kontaktmittel nicht oder nur geringfügig komprimiert ist und die erforderliche Pumpenleistung auf grund des geringen Strömungswiderstandes entsprechend gering dimensioniert sein kann.

Ferner ist die Herstellung der Redox-Flow-Zelle vereinfacht, da die Komponen ten der Kontaktvorrichtung mittels des Polymermaterials fest miteinander ver bunden sind, sodass nur wenige Handhabungs- und Montageschritte erforder lich sind, um die Redox-Flow-Zelle zu montieren. Ferner geht die Schweißver bindung mit einer hohen mechanischen Stabilität für die Kontaktvorrichtung ein her. Dies reduziert signifikant die Anzahl der im Stackbau zu montierenden Ein zelkomponenten bei gleicher Stackgröße.

Die Schweißverbindung zwischen dem Kontaktmittel und dem Elektrolyten ist ferner vorteilhaft, wenn die Redox-Flow-Halbzelle von einem Vanadium enthal tenden Elektrolyten durchströmbar ist. Ein derartiger Elektrolyt ist stark korrosiv, sodass die Vorteile der Schweißverbindung einer erfindungsgemäßen Kontakt vorrichtung nicht durch eine bekannte Verklebung zwischen dem Kontaktmittel und dem Substrat erreichbar sind.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich für die Ausgestaltung von Redox-Flow-Zellen, wenn das Kontaktmittel als Graphitfilz ausgestaltet ist und das Substrat als Ver bundmaterial mit einer Polymermatrix und einer Mehrzahl darin gebundener Graphitpartikel ausgestaltet ist. Ein derart ausgestaltetes Verbundbauteil weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, so dass insbesondere im Vergleich zu bekannten Redox-Flow-Zellen keine starke Kompression zur Senkung des Kon taktwiderstands notwendig ist. Gleichzeitig bleibt die hohe Porosität und Stoffdurchlässigkeit des Filzes erhalten. Dies verbessert die Strömungseigen schaften des Elektrolyten und seine Verteilung in der elektrochemischen Zelle und damit auch die Bereitstellung der Reaktionskomponenten für die Redoxre aktionen zum Laden und Entladen der Zelle. Insbesondere verbessert sich die Durchströmbarkeit des Filzes und führt zu einer Reduktion der erforderlichen Pumpleistung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die elektrochemische Zelle als Brenn stoffzelle ausgestaltet, wobei der Zellraum mit einem Fluid, welches einen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, oder ein Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, enthält, durchströmbar ist.

Es ist eine weitere Erkenntnis der Anmelderin, dass die elektrochemische Zelle nicht alleine für den Einsatz als Redox-Flow-Zelle geeignet ist. Vielmehr liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die elektrochemische Zelle als Brennstoffzelle ausgestaltet ist, wobei der Zellraum, entsprechend obiger Beschreibung, mit ei nem Fluid, welches den Brennstoff oder das Oxidationsmittel enthält, durch strömbar ist. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel können jeweils in einem flüssigem oder in einem gasförmigen Aggregatzustand vorliegen.

Zwar unterscheidet sich die Bauweise einer Brennstoffzelle grundsätzlich von der Struktur einer Redox-Flow-Zelle. Allerdings sind insbesondere die Elektro den bekannter Brennstoffzellen nahezu identisch zu den Elektroden bekannter Redox-Flow-Zellen ausgestaltet. Somit können durch den Einsatz einer erfin dungsgemäßen Kontaktvorrichtung als Elektrode einer Brennstoffzelle im We sentlichen die gleichen Vorteile erreicht werden, wie bei einer Redox-Flow-Zelle.

Die eingangs genannte Aufgabe ist weiterhin durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel gelöst. Der erfindungsgemäße Zellenstapel umfasst mindestens zwei elektrochemischen Zellen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Da bei ist zumindest eine der elektrochemischen Zellen gemäß der erfindungsge mäßen elektrochemischen Zelle oder einer vorteilhaften Weiterbildung davon ausgestaltet.

Durch die vorstehend beschriebene Anordnung mindestens zweier elektrochemi scher Zellen, lässt sich die elektrische Spannung, welche durch lediglich eine elektrochemische Zelle erzeugt wird, bedarfsweise und in unmittelbarer Abhän gigkeit von der Anzahl in Reihe geschalteter Zellen vergrößern. Gegenüber vor bekannten Zellenstapeln (auch: Zellenstacks) ist es möglich, die für den Stack bau relevante Repetitionseinheit, welche im Stand der Technik aus einer Schicht aus dem Kontaktmittel, dem Substrat sowie gegebenenfalls einem weiteren Kon taktmittel besteht, zu einer einzigen und dauerhaft verbundenen Verbundkompo nente zu reduzieren. Da während der Montage des Stacks üblicherweise zu nächst alle Einzelkomponenten aufeinandergestapelt werden und erst abschlie ßend durch einen äußeren Kraftschluss, z.B. durch Fügen von Gehäusekompo nenten, final fixiert und abgedichtet werden, vereinfacht eine Verringerung der Anzahl der Einzelkomponenten den Herstellungsprozess, senkt die Fehlerquote und vereinfacht die Qualitätssicherung.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktvorrich tung. Dabei werden in einem Verfahrensschritt A) mindestens ein elektrisch leit fähiges und verformbares, vorzugsweise stoffdurchlässiges, Kontaktmittel, so wie ein elektrisch leitfähiges Substrat bereitgestellt;

In einem Verfahrensschritt B) wird das Substrat und das Kontaktmittel zur Aus bildung eines gemeinsamen Kontaktbereichs geschichtet, wobei ein in dem Sub strat enthaltenes Polymermaterial und/oder ein Hilfsstoff, welcher das Polymer material enthält, in dem Kontaktbereich angeordnet ist;

In einem Verfahrensschritt C) wird ein elektrischer Strom zwischen dem Sub strat und dem Kontaktmittel in dem Kontaktbereich erzeugt und das Polymerma terial aufgeschmolzen, um das Substrat und das Kontaktmittel zu verschweißen.

Vorzugsweise dient das vorstehend beschriebene Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung oder zur Herstellung einer vorteilhaften Weiterbildung der Kontaktvorrichtung, einer elektrochemischen Zelle oder eines Zellenstapels.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das in Verfah rensschritt A) bereitgestellte Substrat das Polymermaterial, vorzugsweise in ei nem Randbereich, welcher zu späteren Ausgestaltung des Kontaktbereichs dient. Zusätzlich oder alternativ kann das Polymermaterial zumindest teilweise in Gestalt eines Hilfsstoffes auf das Substrat und/oder auf das Kontaktmittel auf getragen werden. In Verfahrensschritt B) werden das Substrat und das Kontaktmittel derart ge schichtet, sodass der gemeinsame Kontaktbereich entsteht, in welchem das Po lymermaterial angeordnet ist. Die Schichtung erfolgt manuell und/oder automati siert.

Daraufhin wird in Verfahrensschritt C) mittels einer Stromquelle ein Strom mit einer einstellbaren und/oder regelbaren Stromstärke erzeugt, wobei der Strom zwischen dem Substrat und dem Kontakt fließt. Infolge eines hohen Kontaktwi derstandes zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel entwickelt sich Wärme, welche ein Aufschmelzen des Polymermaterials in dem Kontaktbereich innerhalb kurzer Zeit bewirkt. Die Stromdichte und Dauer des Schweißprozesses werden hierbei vorzugsweise von den zu fügenden Materialien, insbesondere dem Substrat und dem Kontaktmittel, und/oder deren Abmessungen und Geo metrien und/der von der Gesamtanzahl zu fügender Komponenten abhängig ge wählt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens liegt der Hilfsstoff in Verfah rensschritt B) zumindest teilweise als Pulver und/oder als Folie vor.

Bei einer Ausgestaltung des Hilfsstoffes als ein Pulver lässt sich eine räumliche Dichteverteilung des Polymers in dem Kontaktbereich zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel auf einfache Weise graduell einstellen. Dies wirkt sich begünstigend auf die stoffschlüssige Verbindung sowie die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel aus.

Bei einer Ausgestaltung des Hilfsstoffes als eine Folie lässt sich bedarfswese eine gleichmäßige Dichteverteilung des Polymermaterials einstellen. Bedarfs weise weist die Folie Öffnungen auf, durch welche die gleichmäßige Dichtever teilung unterbrochen ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sub strat als eine Bipolarplatte mit mindestens einer Vertiefung und einem Steg aus gestaltet ist. Dabei ist die Position oder die Kontur der Öffnung in der Folie an die Position und/oder die Geometrie der Vertiefung bzw. des Steges angepasst und wird während der Herstellung der Kontaktvorrichtung entsprechend der Lage der Vertiefung oder des Steges an dem Substrat angeordnet. Während des Schweißens wird die stoffschlüssige Verbindung somit nur in dem Bereich eines Steges geschaffen. Die Vertiefung bleibt hingegen frei von jeglichem Polymer material. Die für eine elektrochemische Zelle vorteilhafte Fluidleitung mittels der Vertiefung bleibt somit unbeeinträchtigt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Kontaktmittel vor dem Verfahrensschritt C) mittels einer Schweißelektrode elektrisch kontaktiert und gegenüber einem unkomprimierten Volumen um höchstens 5% komprimiert.

Die Schweißelektroden werden unter Aufbringung einer geringen Kraft, z.B. ent sprechend einer maximalen Kompression des Graphitfilzes um 5% gegenüber einem unverformten Zustand mit dem Substrat und dem Kontaktmittel in Verbin dung gebracht. Der zwischen den Elektroden erzeugte Strom wird senkrecht zum Kontaktbereich durch das Substrat und das Kontaktmittel geleitet. Durch den Kontaktwiderstand kommt es, in bereits erläuterter Weise, zu einer lokalen Wärmeentwicklung, wodurch das Polymermaterial verflüssigt wird. Vorzugs weise wird das Substrat hierbei nur geringfügig, vorzugsweise überhaupt nicht, aufgeschmolzen. Auf diese Weise wird eine flächige, stoffschlüssige Verbindung der von außen nicht zugänglichen Grenzflächen der einzelnen Bauteile hin zur Verbundkomponente ermöglicht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird vor Verfahrensschritt C) ein elektrisch isolierender Schweißrahmen an einem Randbereich des Kontakt mittels angeordnet, sodass in Verfahrensschritt C) die Schweißelektrode zumin dest teilweise auf dem Schweißrahmen aufliegt.

Der Schweißrahmen ermöglicht es, während des Schweißprozesses, eine über mäßige Kompression des Kontaktmittels auf einfache Weise zu vermeiden, um die Kontaktvorrichtung mit einer hohen geometrischen Anpassungsfähigkeit des Kontaktmittels sowie einem geringen Strömungswiderstand auszubilden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird in Verfahrensschritt C) ein elektrischer Widerstand in dem Kontaktbereich ermittelt und der elektrische Strom in Abhängigkeit des ermittelten Widerstandes in dem Kontaktbereich ge regelt. Es ist eine Erkenntnis der Anmelderin, dass sowohl die Produktivität des erfin dungsgemäßen Verfahrens als auch die Qualität der hergestellten Kontaktvor richtungen verbessert werden, wenn die Stromstärke des elektrischen Stromes zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel in Abhängigkeit des elektrischen, vorzugsweise ohmschen Widerstandes in dem Kontaktbereich geregelt wird. In einer vorteilhaft einfachen Ausführungsform wird dabei während des Schweiß vorganges die Spannung zwischen dem Substrat und dem Kontaktmittel, vor zugsweise über jeweils einen Messkontakt an den Schweißelektroden gemes sen. Die gemessene Spannung wird gemeinsam mit der eingestellten Strom stärke dazu verwendet, den elektrischen Widerstand zu ermitteln. Gemäß einer Erkenntnis der Anmelderin, verringert sich insbesondere der ohmsche Wider stand während des Schweißvorganges. Sobald der ermittelte elektrische Wider stand einen zuvor festgelegten Mindestwert unterschreitet, kann der Strom redu ziert oder unterbrochen werden, um den Schweißprozess zu beenden. Zusätz lich oder alternativ ist die Stromstärke in Abhängigkeit einer einstellbaren Zeit dauer steuerbar. Insbesondere beträgt die Zeitdauer für die Durchführung des Schweißverfahrens in dem Verfahrensschritt C) höchstens 10 Sekunden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den nachfolgend beschriebenen Fi guren anhand von Ausführungsbeispielen gezeigt.

Es zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktvorrichtung;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstel lung der Kontaktvorrichtung;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Redox-Flow-Zellensta- pels mit der Kontaktvorrichtung;

Figur 4 ein Diagramm, in welchem die Energieeffizienz einer Redox-Flow-Zelle mit der Kontaktvorrichtung in Ab hängigkeit von einer Betriebszyklenzahl und einem Kompressionsgrad des Kontaktmittels im Vergleich zu nicht gefügten Einzelkomponenten dargestellt ist.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktvorrich tung 1 mit einem elektrisch leitfähigen Substrat 2, welches flächig ausgestaltet ist und in zwei Kontaktbereichen jeweils mittels eines Polymermaterials 4 bzw.

4‘ mit einem Kontaktmittel 3 bzw. 3‘ stoffschlüssig verschweißt ist.

Das gemäß Figur 1 gezeigte Substrat 2 besteht aus einem Verbundmaterial mit einer Polymermatrix sowie einer Mehrzahl elektrisch leitfähiger Graphitpartikel, welche in der Polymermatrix gebunden sind. Die Kontaktmittel 3, 3‘ bestehen je weils aus einem elektrisch leitfähigen, verformbaren und stoffdurchlässigen Gra phitfilz.

Die Kontaktvorrichtung 1 ist dazu geeignet, zwei technische Komponenten (nicht gezeigt) elektrisch leitfähig, und sofern kein Erfordernis nach elektrischer Isola tion besteht, thermisch leitfähig zu verbinden. Die Verformbarkeit der Kontakt mittel 3, 3‘ ermöglicht es, auch uneben ausgestaltete Komponenten mit einer großen Kontaktfläche zu kontaktieren, indem sich die Geometrien der Kontakt mittel 3, 3‘ an die Konturen der jeweiligen zu kontaktierenden Komponenten an passen. Dadurch wird die gemeinsame Kontaktfläche maximiert, wodurch sich der elektrische sowie der thermische Kontaktwiderstand zwischen der Kontakt vorrichtung 1 und der kontaktierten Komponente verringert.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Kontaktmittel 3,3‘ eine Höhe von 40 mm, eine Breite von 60 mm sowie eine Dicke von 4,6 mm auf. Bei dem Polymermaterial 4,4‘ handelt es sich um Polyvinylidenfluorid (PVDF), welches vor der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung als Pulver in einer Menge von 3,7 mg je Kontaktmittel auf die Kontaktmittel aufgetragen wurde. Das Sub strat 2 weist eine Höhe von 76 mm, eine Breite von 86 mm sowie eine Dicke von 0,6 mm auf.

Die Kontaktmittel 3, 3‘ sind in dem gemäß Figur 1 gezeigten Zustand jeweils ge genüber einem unverformten Zustand um maximal 5% verformt. Da die in dem Graphitfilz vorhandenen Zwischenräume zwischen einzelnen Graphitfasern nur geringfügig komprimiert sind, weisen die Kontaktmittel 3, 3‘ jeweils eine gute Stoffdurchlässigkeit auf. Diese äußert sich in einem geringen Strömungswider stand, wenn die Kontaktmittel 3,3‘ jeweils mit einem Fluid durchströmt sind. Gleichzeitig weist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Substrat 2 und den Kontaktmitteln 3, 3‘ eine hohe Festigkeit sowie hohe korrosive Beständig keit auf. Letztere ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Kontaktvorrichtung 1 zur elektrischen Kontaktierung eines Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle verwendet wird.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung 5, welche zur Herstellung der in Figur 1 gezeigten Kontaktvorrichtung 1 dient. Zur Herstellung der Kontaktvorrichtung 1 wird das Substrat 2 sowie die zwei Kontaktmittel 3, 3‘ zunächst, in hier nicht gezeigter Weise, homogen mit einem Pulver, welches das Polymermaterial enthält, beschichtet.

Anschließend werden das Substrat 2 sowie die Kontaktmittel 3 und 3‘ geschich tet und dadurch zwei Kontaktbereiche ausgestaltet, in denen sich das zuvor auf getragene Polymermaterial befindet. Die Kontaktmittel 3 und 3‘ werden jeweils mittels einer Schweißelektrode 6 bzw. 6’ elektrisch kontaktiert. Dabei werden die Kontaktmittel 3, 3‘ jeweils gegenüber einem unverformten Zustand nur um maximal 5% komprimiert. Dies wird erreicht, indem ein elektrisch isolierender Schweißrahmen (hier nicht gezeigt) randseitig an jeweils einem der Kontaktmit tel 3 und/oder 3‘ angeordnet wird. Während des sich anschließenden Schweiß vorganges liegen die Schweißelektroden 6, 6‘ jeweils zumindest teilweise auf dem jeweiligen Schweißrahmen auf, sodass die Verformung der Kontaktmittel 3, 3‘ durch den Schweißrahmen begrenzt ist und von seinen Abmessungen abhän gig ist.

Mittels des Netzgerätes 7 wird ein Stromfluss zwischen den beiden Schwei ßelektroden 6 und 6‘ und somit auch durch die Schicht aus den Kontaktmitteln 3, 3‘ und dem zwischen den Kontaktmitteln 3, 3‘ befindlichen Substrat 2 erzeugt.

In den Kontaktbereichen zwischen dem Substrat 2 und den beiden Kontaktmit teln 3, 3‘ weist die Kontaktvorrichtung 1 jeweils einen erhöhten elektrischen Kontaktwiderstand auf. Infolge des erhöhten elektrischen Kontaktwiderstandes findet während des Stromflusses eine Wärmeentwicklung statt, welche dazu führt, dass das in den Kontaktbereichen befindliche Polymermaterial auf schmilzt.

Während des Aufschmelzens des Polymermaterials sinken die elektrischen Wi derstände in den Kontaktbereichen. Das Netzgerät 7 ist dazu ausgestaltet, die elektrische Spannung zwischen den Elektroden zu messen. Eine Regeleinheit, auf welcher eine Software 8 gespeichert ist, nutzt die gemessene elektrische Spannung zusammen mit der eingestellten Stromstärke des erzeugten Stromes (hier: 85 A) zur Ermittlung des abfallenden Kontaktwiderstandes. Unterschreitet der ermittelte Widerstand einen gespeicherten Mindestwert, wird die Strom stärke des Stromes durch das Netzteil 7 reduziert und der Schweißvorgang be endet. Anschließend werden die Elektroden 6, 6‘ entfernt und die Kontaktvor richtung 1 aus der Schweißvorrichtung 5 entnommen.

Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Schweißverfahrens besteht darin, dass einerseits eine stoffschlüssige Verbindung mit hoher Festigkeit zwischen dem Substrat 2 und den Kontaktmitteln 3 und 3‘ erzeugt wird und die Kontakt mittel 3, 3‘ dabei nur geringfügig verformt werden. Da die Kontaktmittel aus Gra phitfilz hergestellt sind, weist eine derart hergestellte Kontaktvorrichtung 1 eine besonders gute Eignung für den Einsatz als Elektrode in einer Redox-Flow-Zelle auf.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zellenstapels 9, bei dem eine Mehr zahl an Redox-Flow-Zellen 10, von denen nur eine mit Bezugszeichen versehen ist, elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Redox-Flow-Zellen 10 weisen jeweils zwei Zellräume 11 und 12 auf, welche durch eine ionendurchlässige Membran 13 voneinander gentrennt sind. In den Zellräumen und 11 , 12 ist ferner jeweils eine Elektrode angeordnet. Die Elektroden derjenigen Redox-Flow-Zellen, wel che zu zwei anderen Redox-Flow-Zellen benachbart angeordnet sind, sind in identischer Weise als Kontaktvorrichtung 1 gemäß Figur 1 ausgestaltet. Bei ei ner solchen Kontaktvorrichtung dient das Substrat 2 als Bipolarplatte, während eines der Kontaktmittel (Kontaktmittel 3 gemäß Figur 3) in den Zellraum 12 der Redox-Flow-Zelle 10 gerichtet ist und das jeweils andere Kontaktmittel (Kontakt mittel 3‘ gemäß Figur 3) in den Zellraum einer benachbarten Redox-Flow-Zelle gerichtet ist. Die Elektroden derjenigen Redox-Flow-Zellen, welche randseitig in dem Zellenstapel 9 angeordnet sind, umfassen ebenfalls ein als Bipolarplatte dienendes Substrat, welches jedoch nur einseitig mit einem Kontaktmittel ver schweißt ist. Auf der dem Kontaktmittel abgewandten Seite ist das Substrat mit einem Stromsammler 14 oder 15 kontaktiert.

Die Zellräume 11 und 12 der Redox-Flow-Zelle 10 sind jeweils mit einem von zwei Elektrolyttanks (nicht gezeigt) verbunden. Eine Pumpenvorrichtung (nicht gezeigt) dient dazu, das jeweilige Elektrolyt in einen der Zellräume 11 oder 12 zu fördern, in denen eine elektrochemische Reaktion von statten geht. Bei ei nem hier beispielhaft beschriebenen Entladevorgang werden aus einem der Elektrolyten Ionen gelöst, welche durch die ionendurchlässige Membran aus dem Zellraum 12 in den Zellraum 11 (oder umgekehrt) gelangen und dort von dem anderen der beiden Elektrolyten aufgenommen werden. Zeitgleich werden aus dem Elektrolyten, welcher die Ionen in dem Zellraum 12 abgibt, auch Elekt ronen gelöst, welche durch das Kontaktmittel 3 in das Substrat 2 und von dort durch den gesamten Zellenstapel 9 zu dem Stromsammler 14 gelangen. Durch elektrische Kontaktierung der Stromsammler 14 und 15 lässt sich der erzeugte Strom nutzbar machen.

Während der Montage des Zellenstapels 9 werden die in Figur 3 gezeigten Be standteile des Zellenstapels 9 durch Gehäusekomponenten (nicht gezeigt) ein gehaust. Dabei dienen Zellrahmenelemente, von denen nur eines mit dem Be zugszeichen 16 versehen ist, dazu, eine Verformung der Kontaktmittel 3, 3‘ auf maximal 5% zu beschränken. Dadurch lässt sich für die Kontaktmittel 3, 3‘ auch im montierten Zustand eine gute Stoffdurchlässigkeit erreichen. Die positiven Einflüsse der guten Stoffdurchlässigkeit sowie der Schweißverbindung zwischen den Substraten und den Kontaktmitteln lässt sich aus dem Diagramm, welches in Figur 4 gezeigt ist, entnehmen.

Figur 4 zeigt ein Diagramm 17, in welchem die Energieeffizienz dreier unter schiedlicher Zellenstapel in Abhängigkeit einer Anzahl an Lade-/ und Ent ladezyklen dargestellt ist.

Die in dem Diagramm 17 gezeigte Kurve 18 beschreibt die Energieeffizienz ei nes Zellenstapels mit einem Aufbau gemäß Figur 3, welcher über eine Anzahl von 100 Zyklen mit einer Stromdichte von 80mA geladen und entladen wurde. Die Redox-Flow-Zellen des besagten Zellenstapels weisen mindestens eine Kontaktvorrichtung auf, deren Substrat und mindestens ein Kontaktmittel mittels eines Polymermaterials verschweißt sind und das Kontaktmittel nur geringfügig und um nicht mehr als 5% komprimiert ist. Die in dem Diagramm gezeigte Kurve 19 beschreibt die Energieeffizienz eines Zellenstapels, welcher eine Mehrzahl an konventionell ausgestaltete Redox- Flow-Zellen umfasst. Diese weisen ebenfalls mindestens eine Kontaktvorrich tung mit einem Substrat und einem Kontaktmittel auf, welches um maximal 5% komprimiert ist, allerdings sind das Substrat und das Kontaktmittel lediglich mit- tels der Gehäusekomponenten verpresst, sodass keine stoffschlüssige Schweiß verbindung vorliegt.

Die in dem Diagramm gezeigte Kurve 20 beschreibt die Energieeffizienz eines Zellenstapels, welcher ebenfalls eine Mehrzahl an konventionell ausgestaltete Redox-Flow-Zellen umfasst, deren Kontaktmittel jedoch um 20% komprimiert sind.

Wie in Diagramm 17 gezeigt ist, führt die stoffschlüssige Schweißverbindung so wie die geringe Kompression der Kontaktmittel in dem Zellenstapel insgesamt zu einer hohen Energieeffizienz des Zellenstapels (vgl. Kurve 18). Insbesondere ist die Energieeffizienz tendenziell höher als die Energieeffizient eines Zellen stapels, dessen Kontaktmittel in konventioneller Weise lediglich durch Anpres sen der verwendeten Gehäusekomponenten gefügt sind, wodurch deren Kom pression um 20% (vgl. Kurve 20) bedingt wird, und deutlich höher ist als die Energieeffizienz eines solchen konventionellen Zellenstapels, dessen Kontakt mittel um 5% komprimiert wurden (vgl. Kurve 19).