DE102010023252A1

DE102010023252A1 - Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102010023252A1
Application number: DE102010023252A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Lindenau Dirk; Dipl.-Ing. Pfister Uwe; Rudolf Coertze
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) mit mehreren Brennstoffzellen (2 bis 5), welche jeweils aus einer einen umlaufenden Rahmen (7) aufweisenden Bipolarplatte (6) und einer Membran-Elektroden-Einheit (8) gebildet werden, wobei mehrere Brennstoffzellen (2 bis 5) gestapelt werden. Erfindungsgemäß wird der Rahmen (7) aus zwei Rahmenelementen (7.1, 7.2) gebildet, wobei zur Herstellung einer ersten Brennstoffzelle (2) – in einem ersten Schritt a) in einem unteren Bereich einer Stirnseite einer Bipolarplatte (6) ein diese umlaufendes erstes Rahmenelement (7.1) fluiddicht an dieser befestigt wird, – in einem zweiten Schritt b) an der Unterseite des ersten Rahmenelementes (7.1) eine Membran-Elektroden-Einheit (8) fluiddicht befestigt wird und – in einem dritten Schritt c) in einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte (6) ein die Bipolarplatte (6) umlaufendes zweites Rahmenelement (7.2) jeweils fluiddicht an der Bipolarplatte (6) und dem ersten Rahmenelement (7.1) befestigt wird, wobei zur Herstellung zumindest einer weiteren Brennstoffzelle (3 bis 5) die Schritte a) bis c) wiederholt werden, wobei in einem auf den Schritt b) folgenden Zwischenschritt bb) eine weitere Bipolarplatte (6) mit dem ersten Rahmenelement (7.1) und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit (8) an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes (7.2) der jeweils zuletzt hergestellten Brennstoffzelle (2 bis 4) fluiddicht befestigt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel (1) mit mehreren Brennstoffzellen (2 bis 5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils aus einer einen umlaufenden Rahmen aufweisenden Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit gebildet werden, wobei mehrere Brennstoffzellen gestapelt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen.
Aus der DE 102 61 482 A1 ist ein Brennstoffzellenmodul für Polymerelektrolyt-Membran (= PEM)-Brennstoffzellenstacks bekannt. Das Brennstoffzellenmodul umfasst eine Bipolarplatte und eine Membran-Elektroden-Einheit (= MEA), wobei die Bipolarplatte einen umlaufenden Rahmen aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff und einen von dem Rahmen umschlossenen, elektrisch leitfähigen inneren Bipolarplattenbereich mit Kanälen für Gase und ggf. für Kühlmittel aufweist. Die MEA, die eine Polymer-Elektrolyt-Membran umfasst, ist durch eine Schweißnaht oder durch eine mit der MEA teilweise überlappende umlaufende Elastomerdichtung anodenseitig an dem Rahmen der Bipolarplatte fixiert. Der Rahmen der Bipolarplatte ist laserstrahlabsorbierend und die daran zu befestigende MEA ist zumindest in ihrem Randbereich laserstrahltransparent ausgebildet. Die MEA weist in ihrem Randbereich einen Rand aus dem Material der Polymerelektrolyt-Membran auf, der mit dem Rahmen durch Laserschweißen verbunden wird. Elektroden und Katalysatoren umfassende verbleibende Schichten, aus denen die MEA aufgebaut ist, nehmen eine kleinere Fläche als die PEM ein, so dass die PEM über diese Fläche mit ihrem festzuschweißenden Rand hinausragt. Hierbei ist das PEM-Material laserstrahltransparent und laserschweißfähig in Kombination mit einem laserstrahlabsorbierenden Rahmenmaterial ausgebildet. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenmoduls beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen, welche jeweils aus einer einen umlaufenden Rahmen aufweisenden Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit gebildet werden, werden mehrere Brennstoffzellen gestapelt.
Erfindungsgemäß wird der Rahmen aus zwei Rahmenelementen gebildet, wobei zur Herstellung einer ersten Brennstoffzelle

– in einem ersten Schritt a) in einem unteren Bereich einer Stirnseite einer Bipolarplatte ein diese umlaufendes erstes Rahmenelement fluiddicht an dieser befestigt wird,
– in einem zweiten Schritt b) an der Unterseite des ersten Rahmenelementes eine Membran-Elektroden-Einheit fluiddicht befestigt wird und
– in einem dritten Schritt c) in einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte ein die Bipolarplatte umlaufendes zweites Rahmenelement jeweils fluiddicht an der Bipolarplatte und dem ersten Rahmenelement befestigt wird, wobei zur Herstellung zumindest einer weiteren Brennstoffzelle die Schritte a) bis c) wiederholt werden, wobei in einem auf den Schritt b) folgenden Zwischenschritt bb) eine weitere Bipolarplatte mit dem ersten Rahmenelement und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes der jeweils zuletzt hergestellten Brennstoffzelle fluiddicht befestigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung von Brennstoffzellenstapeln, insbesondere in einer Massenproduktion, wobei zur Herstellung lediglich eine geringe Anzahl von Verfahrensschritten erforderlich ist. Auch wird eine hohe Zuverlässigkeit und gleich bleibende Qualität der erzeugten Brennstoffzellenstapel sichergestellt, da diese sich durch eine hohe Sicherheit vor Undichtigkeiten auszeichnen. Auch die chemischen und elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzellenstapel ist besonders vorteilhaft ausgebildet, da aufgrund einer erzeugbaren konstanten Andruckspannung der Membran-Elektroden-Einheiten und konstanten Abständen zwischen den Bipolarplatten und den Membran-Elektroden-Einheiten konstante chemische Bedingungen und Prozesse resultieren, woraus sich für jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels gleiche elektrische Eigenschaften ergeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle gemäß 1,
3A bis 3C schematisch mehrere Fertigungsstadien während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels gemäß 1,
4 schematisch einen Längsschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß 1 im Bereich von Kühlmittelkanälen,
5 schematisch einen Längsschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß 1 im Bereich eines Versorgungs- und Verteilungskanals für ein Reaktionsgas und
6 schematisch einen Querschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß 1.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren Brennstoffzellen 2 bis 5 dargestellt.
Der gezeigte Brennstoffzellenstapel 1 umfasst vier übereinander gestapelte Brennstoffzellen 2 bis 5. In nicht näher dargestellten Ausführungen kann der Brennstoffzellenstapel 1 aus einer abweichenden Anzahl von Brennstoffzellen gebildet sein.
Jede der Brennstoffzellen 2 bis 5 umfasst jeweils eine Bipolarplatte 6, an der jeweils ein aus zwei Rahmenelementen 7.1, 7.2 gebildeter Rahmen 7 angeordnet ist. Der Rahmen 7 ist die Bipolarplatte 6 umlaufend an einer Stirnseite der Bipolarplatte 6 angeordnet.
Ein erstes Rahmenelement 7.1 ist dabei in einem unteren Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte 6 fluiddicht an dieser befestigt.
Weiterhin ist an einer Unterseite des ersten Rahmenelementes 7.1 eine Membran-Elektroden-Einheit 8 fluiddicht befestigt. Die Membran-Elektroden-Einheit 8 umfasst in nicht näher dargestellter Weise eine so genannte Protonenaustauschmembran, Katalysatorschichten und Diffusionsschichten. Die Diffusionsschichten leiten Brennstoffe der Brennstoffzelle zu den Katalysatorschichten hin bzw. Verbrennungsprodukte ab. In den Katalysatorschichten findet eine elektrochemische Reaktion statt, bei der chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
In einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte 6 ist ein zweites Rahmenelement 7.2 jeweils fluiddicht an der Bipolarplatte 6 und dem ersten Rahmenelement 7.1 befestigt.
Zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 1 werden die vier Brennstoffzellen 2 bis 5 übereinander gestapelt, wobei die zweite, dritte und vierte Brennstoffzelle 3 bis 5 jeweils mit dem ersten Rahmenelement 7.1 und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit 8 an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes 7.2 der jeweils zuletzt hergestellten Brennstoffzelle 2 bis 4 fluiddicht befestigt sind.
Die Rahmenelemente 7.1, 7.2 der Brennstoffzellen 2 bis 5 sind derart angeordnet, dass sich in dem Rahmen 7 einer jeweiligen Brennstoffzelle 2 bis 5 und mehrere benachbart angeordnete Rahmen 7 mehrerer Brennstoffzellen 2 bis 5 durchdringende Versorgungskanäle 9 bis 11 und Verteilungskanäle 12 bis 14 bilden.
Durch einen in 5 näher dargestellten Versorgungskanal 9 wird während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 ein Kühlmedium geführt, welches über ebenfalls in 5 näher dargestellte Verteilungskanäle 12 jeweils auf Kühlkanäle 6.1 der Bipolarplatten 6 der jeweiligen Brennstoffzellen 2 bis 5 verteilt werden.
Weiterhin ist parallel zu dem Versorgungskanal 9 ein Versorgungskanal 10 (Vergleiche 10) und ein Versorgungskanal 11 angeordnet, welche den Oberflächen der Bipolarplatten 6 der jeweiligen Brennstoffzelle 2 bis 5 über die Verteilungskanäle 13 und 14 einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 zuführen.
Die Verteilungskanäle 13 und 14 bilden sich aufgrund der Abmessungen oberhalb und unterhalb der Oberflächen der Bipolarplatten 6 der jeweiligen Brennstoffzelle 2 bis 5 aus.
2 zeigt eine Schnittdarstellung der Bipolarplatte 6, welche mehrere Kühlkanäle 6.1 und beidseitig jeweils eine Kanalstruktur KS1, KS2 zur Führung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels aufweist. Eine Flachseite der Bipolarplatte 6 bildet in der jeweiligen Brennstoffzelle 2 bis 5 die Anode und die gegenüberliegende Flachseite die Kathode.
Die Bipolarplatte 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet. Die Bipolarplatte 6 ist aus Metall, beispielsweise Edelstahl, oder einem Kunststoff mit Beimengungen eines leitfähigen Materials, beispielsweise Metallspänen, hergestellt. Alternativ ist die Bipolarplatte 6 aus einem hoch-rußhaltigen Epoxidharz gebildet.
Zur Herstellung der einteiligen Bipolarplatte 6 wird diese aus einem Stück geformt. Dies erfolgt in einem Strangpressverfahren, Extrudierverfahren oder einem Urformverfahren mit anschließendem Schnitt der Bipolarplatte 6 auf die richtige Länge. Als Urformverfahren werden Guss- und Spritzgussverfahren, insbesondere unter Verwendung von Gusskernen, angewendet.
Alternativ ist die Bipolarplatte 6 in nicht dargestellter Weise aus zwei Einzelplatten gebildet, welche ebenfalls in einem Urformverfahren oder einem Umformverfahren gebildet werden.
In den 3A bis 3C sind mehrere Fertigungsstadien während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 1 dargestellt.
Gemäß 3A wird zur Herstellung einer ersten Brennstoffzelle 2 in einem ersten Schritt in einem unteren Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte 6 das erste Rahmenelement 7.1, welches elektrisch nicht leitfähig ist, fluiddicht an dieser befestigt.
Das erste Rahmenelement 7.1 wird durch zumindest teilweises Umspritzen der Stirnseite der Bipolarplatte 6 erzeugt.
Alternativ wird das erste Rahmenelement 7.1 vorgefertigt und anschließend in einem Laserschweißverfahren fluiddicht an die Stirnseite geschweißt.
Zur Durchführung des Laserschweißverfahrens ist das erste Rahmenelement 7.1 für eine Laserstrahlung mit einer definierten Wellenlänge laserstrahltransparent ausgebildet. Die Bipolarplatte 6 ist zumindest im Fügebereich aus einem Material gebildet, welches für diese Laserstrahlung laserstrahlabsorbierend ausgebildet ist. Bei diesem Material handelt es sich insbesondere um einen schweißbaren, beispielsweise einen thermoplastischen Kunststoff. So wird die Laserstrahlung durch das Rahmenelement 7.1 hindurchgeführt und schmilzt das Material der Bipolarplatte 6 im Fügebereich partiell auf, so dass eine Schweißnaht S1 zwischen dem ersten Rahmenelement 7.1 und der Bipolarplatte 6 entsteht, welche diese fluiddicht miteinander verbindet.
Das Laserschweißen erfolgt anhand einer so genannten Remotetechnik und/oder eines so genannten Maskenverfahrens, so dass die fokussierte Laserstrahlung nur auf die Bereiche trifft, in welchen die Schweißnaht S1 erzeugt werden soll. Alternativ sind grundsätzlich jedoch auch andere entsprechend ausgestaltete Verfahren zum Laserschweißen anwendbar, beispielsweise mittels einer starren Optik zur Führung des Laserstrahls entlang des Verlaufs der herzustellenden Schweißnaht, welche als Einheit beweglich ist und insbesondere von einer Maschine bewegt wird.
Durch das Laserschweißverfahren ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, eine Oberfläche und eine Wirktiefe der Verschweißung sehr einfach vorzugeben. Somit sind die Verschweißungen in einer definierten Tiefe und an einer definierten Position zwischen Elementen des Brennstoffzellenstapels 1 erzeugbar.
Alternativ sind sowohl das erste Rahmenelement 7.1 als auch die Bipolarplatte 6 zumindest im Fügebereich aus dem gleichen laserstrahltransparenten Material gebildet. Zur Erzeugung einer laserstrahlabsorbierenden Struktur wird vor dem Aufbringen des Rahmenelementes 7.1 im Fügebereich der Bipolarplatte 6 ein die Absorption der Laserstrahlung erhöhendes Material ein- oder aufgebracht. Dieses Material, beispielsweise ein schwarzer Farbstoff, wird vor dem Fügen auf den betreffenden Bereich der Bipolarplatte 6 in einem vorgegebenen Muster aufgebracht. Somit entsteht die Schweißnaht S1 auch bei einer flächigen Bestrahlung mit der Laserstrahlung nur dort, wo sich das Muster befindet.
Alternativ wird das die Absorption der Laserstrahlung erhöhende Material in einem zweistufigen Gießprozess oder durch vorherige Markierung mit Laserstrahlung erzeugt. Die Markierung erfolgt dabei in der Art, dass das Material der Bipolarplatte 6 lokal verbrannt wird und in diesen Bereichen beim späteren Laserschweißen die Schweißnaht S1 entsteht.
Beim alternativen oder zusätzlichen Verkleben des ersten Rahmenelementes 7.1 mit der Bipolarplatte 6 wird ein Klebstoff entweder lokal an dem ersten Rahmenelement 7.1 und/oder der Bipolarplatte 6 aufgebracht. Bei einem Fügen des ersten Rahmenelementes 7.1 und der Bipolarplatte 6 werden diese anschließend fluiddicht durch Aushärtung des Klebstoffs verbunden.
Auch kann der Klebstoff ein so genannter strahlenhärtender Klebstoff, insbesondere ein UV-strahlenhärtender Klebstoff sein, welcher unter Zuführung von UV-Licht aushärtet. Das UV-Licht wird zur Erzeugung der Verklebung beispielsweise durch Laserstrahlung zugeführt.
In einem zweiten Schritt wird nach der fluiddichten Verbindung des ersten Rahmenelementes 7.1 und der Bipolarplatte 6 an der Unterseite des ersten Rahmenelementes 7.1 die Membran-Elektroden-Einheit 8 fluiddicht befestigt. Die Befestigung erfolgt wiederum in einem Laserschweißverfahren und/oder durch Verkleben.
Das erste Rahmenelement 7.1 weist an seiner Unterseite eine umlaufende Vertiefung aus, deren Höhe der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 8 entspricht, so dass diese bündig mit der Unterseite abschließt. Hieraus resultiert der Vorteil, dass die erste Brennstoffzelle 2 an ihrer Unterseite plan ausgebildet ist, so dass ein einfaches und fluiddichtes Fügen mit einer nicht näher dargestellten Endplatte möglich ist.
Bei dem Laserschweißverfahren wird eine zweite Schweißnaht S2 zwischen dem ersten Rahmendelement 7.1 und der Membran-Elektroden-Einheit 8 erzeugt, indem die Wellenlänge des Laserstrahls derart gewählt wird, dass das erste Rahmenelement 7.1 laserstrahltransparent ist und die Membran-Elektroden-Einheit 8 zumindest im Bereich der zu erzeugenden Schweißnaht S2 laserstrahlabsorbierend ausgebildet ist. Diese absorbierende Ausbildung wird wiederum durch Bildung der Membran-Elektroden-Einheit 8 aus einem laserstrahlabsorbierenden Material oder dem beschriebenen lokalen auf- und/oder Einbringen des laserstrahlabsorbierenden Materials erzielt.
Zusätzlich wird die Membran-Elektroden-Einheit 8 fluiddicht mit der Kanalstruktur KS1 verbunden. Hierzu wird vor dem Fügen der Membran-Elektroden-Einheit 8 mit der Unterseite des ersten Rahmenelementes 7.1 auf eine Oberseite in einem Maskierverfahren ein Klebstoff aufgebracht, welcher beim Fügen der Teile aushärtet und somit die einzelnen Kanäle der Kanalstruktur KS1 gegeneinander abdichtet.
In einem dritten Schritt wird in einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte 6 das die Bipolarplatte 6 umlaufende zweite Rahmenelement 7.2 in nicht näher dargestellter Weise fluiddicht an der Bipolarplatte 6 und dem ersten Rahmenelement 7.1 befestigt. Auch diese Befestigung erfolgt anhand des Laserschweißverfahrens und/oder durch Verkleben.
Zur Erzeugung einer dritten Schweißnaht S3 zwischen dem zweiten Rahmenelement 7.2 und dem ersten Rahmenelement 7.1 ist das zweite Rahmenelement 7.2 laserstrahltransparent ausgebildet. Hierzu ist das zweite Rahmenelement 7.2 aus einem anderen Material als das erste Rahmenelement 7.1 gebildet. Das Material des ersten Rahmenelementes 7.1 ist für die Laserstrahlung, für welche das zweite Rahmenelement 7.2 laserstrahltransparent ist, laserstrahlabsorbierend. Somit durchdringt die Laserstrahlung das zweite Rahmenelement 7.2 und die Oberfläche des ersten Rahmenelementes 7.1 wird partiell aufgeschmolzen, so dass die Schweißnaht S3 entsteht. Für eine derartige Herstellung ist eine Laserschweißvorrichtung erforderlich, welche verschiedene Laserstrahlungen mit zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt. Dabei sind die Wellenlängen derart zu wählen, dass das erste Rahmenelement 7.1 für eine erste Wellenlänge laserstrahlabsorbierend und für eine zweite Wellenlänge laserstrahltransparent ist. Gleichzeitig ist das zweite Rahmenelement 7.2 für die erste Wellenlänge laserstrahltransparent und für die zweite Wellenlänge laserstrahlabsorbierend.
Alternativ sind die Randelemente 7.1, 7.2 aus dem gleichen Material und laserstrahltransparent ausgebildet. Zum Verschweißen der Rahmenelemente 7.1, 7.2 miteinander wird auf bzw. in eine Oberseite des ersten Rahmenelementes 7.1 und/oder auf bzw. in eine Unterseite des zweiten Rahmenelementes 7.2 im Bereich der zu erzeugenden Schweißnaht S3 das laserstrahlabsorbierende Material auf- oder eingebracht.
Weiterhin wird zum fluiddichten Verbinden des zweiten Rahmenelementes 7.2 mit der Bipolarplatte 6 eine vierte Schweißnaht S4 erzeugt, wobei das Verschweißen mittels des Laserschweißverfahrens erfolgt.
In nicht näher dargestellter Weise ist alternativ oder zusätzlich ein Verkleben des zweiten Rahmenelementes 7.2 mit der Bipolarplatte 6 möglich.
Die Herstellung der zweiten Brennstoffzelle 3 gemäß 3B erfolgt analog der beschreiben Herstellung der ersten Brennstoffzelle 2.
Vor dem Fügen des zweiten Rahmenelementes 7.2 mit dem ersten Rahmenelement 7.1 und der Bipolarplatte 6 wird die zweite Brennstoffzelle 3 mit dem ersten Rahmenelement 7.1 und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit 8 sowie der Bipolarplatte 6 an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes 7.2 der ersten Brennstoffzelle 2 fluiddicht befestigt.
Dies erfolgt wiederum mittels eines Laserschweißverfahrens unter Erzeugung einer fünften Schweißnaht S5, einer sechsten Schweißnaht S6 und/oder durch Verkleben der Rahmenelemente 7.1, 7.2. Die Schweißnähte S3 und S5 verlaufen im dargestellten Ausführungsbeispiel in einer gedachten Linie parallel übereinander. Alternativ ist in nicht dargestellter Weise eine versetzte und parallele Anordnung der Schweißnähte S3 und S5 übereinander möglich.
Vor dem Fügen der zweiten Brennstoffzelle 3 mit der ersten Brennstoffzelle 2 wird auf einer Unterseite der Membran-Elektroden-Einheit 8 in einem Maskierverfahren ein Klebstoff aufgebracht, so dass die Kanalstruktur KS2 von der Membran-Elektroden-Einheit 8 abgedichtet ist bzw. die Kanäle der Kanalstruktur KS2 zueinander abgedichtet sind. Alternativ oder zusätzlich wird auf eine Oberseite der Kanalstruktur KS2 ein Klebstoff aufgebracht.
In einem alternativen Fügeverfahren der Membran-Elektroden-Einheit 8 auf der Kanalstruktur KS2 ist eine Erhitzung der Membran-Elektroden-Einheit 8 und/oder der Kanalstruktur KS2 vor dem Fügen durchführbar, so dass die Oberflächen Membran-Elektroden-Einheit 8 und/oder der Kanalstruktur KS2 zumindest partiell aufgeschmolzen werden und sich beim Fügen miteinander verbinden.
Alternativ erfolgt das Fügen der ersten Brennstoffzelle 2 und der zweiten Brennstoffzelle 3 im Bereich der Rahmenelemente 7.1, 7.2 und im Bereich der Kanalstruktur KS2 und der Membran-Elektroden-Einheit 8 anhand eines Ultraschall-Schweißverfahrens, insbesondere eines Ultraschall-Kunststoff-Reibschweißverfahrens.
Aufgrund der fluiddichten Verbindung der Kanalstrukturen KS1, KS2 mit den angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten 8 werden Brennstoffverluste und Verluste des Oxidationsmittels während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels 1 wirkungsvoll vermieden. Somit wird ein hoher Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 1 erzielt.
In 3C sind die gefügten Brennstoffzellen 2 und 3 dargestellt, wobei das Fügen des zweiten Rahmenelementes 7.2 mit dem ersten Rahmenelement 7.1 und der Bipolarplatte 6 der zweiten Brennstoffzelle 3 analog dem Fügen bei der ersten Brennstoffzelle 2 erfolgt.
Zur Erzeugung des Brennstoffzellenstapels 1 werden die Brennstoffzellen 4 und 5 analog der Brennstoffzelle 3 hergestellt und auf den Brennstoffzellen 2 und 3 gestapelt angeordnet.
Weiterhin wird der Brennstoffzellenstapel 1 in nicht dargestellter Weise unter- und oberseitig von jeweils einer Endplatte abgeschlossen, wobei eine erste Endplatte mit einer Unterseite der ersten Brennstoffzelle 2 und eine zweite Endplatte mit einer Oberseite der vierten Brennstoffzelle 4 fluiddicht verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Brennstoffzellen 2, 4 und den Endplatten erfolgt wiederum anhand des Laserschweißverfahrens, des Ultraschall-Schweißverfahrens oder durch Verkleben.
Zusätzlich wird zumindest ein die Endplatten umgebendes Spannelement, beispielsweise ein so genanntes Spannband, den Brennstoffzellenstapel 1 umgebend angeordnet, so dass ein fester Verbund der Brennstoffzellen 2 bis 5 bei gleich bleibendem Innendruck erzeugt wird.
In 4 ist ein Längsschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 im Bereich des Versorgungskanals 10 und der Verteilungskanäle 13 dargestellt, wobei der Versorgungskanal 10 und die Verteilungskanäle 13 zur Beaufschlagung der Bipolarplatten 6 der jeweiligen Brennstoffzellen 2 bis 5 mit dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel vorgesehen sind.
5 zeigt einen Längsschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 im Bereich des Versorgungskanals 9 und der Verteilungskanäle 12, wobei der Versorgungskanal 9 und die Verteilungskanäle 12 zur Beaufschlagung der Bipolarplatten 6 der jeweiligen Brennstoffzellen 2 bis 5 mit dem Kühlmittel vorgesehen sind.
In 6 ist ein Querschnitt des Brennstoffzellenstapels 1 dargestellt, in welchem der Verlauf der Versorgungskanäle 9 bis 11 und der Verteilungskanäle 12 bis 14 in den Rahmen 7 der Brennstoffzellen 2 bis 5, d. h. innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 verdeutlicht ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist zu Zwecken der Übersichtlichkeit in stark vereinfachter Weise und nicht vollständig dargestellt.
Um einen optimierten Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Versorgungskanäle 9 bis 11 und die Verteilungskanäle 12 bis 14 fluiddicht zueinander auszubilden. Dies ist mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 1 besonders vorteilhaft realisierbar.
Mit den beschriebenen Fügeverfahren, d. h. dem Laserschweißen, dem Ultraschallschweißen und/oder dem Verkleben, ist diese fluiddichte Verbindung besonders einfach und effizient erzeugbar.
Insbesondere das Laserschweißen zeichnet sich durch eine besonders einfache und effektive Prozessführung bei gleichzeitig geringen Kosten und einer hohen Güte der erzeugten Schweißnähte S1 bis S6 aus. Aufgrund der ”schichtenweisen” Ausführung der Schweißvorgänge, d. h. der separaten Erzeugung der Schweißnähte S1 bis S6 für jedes Rahmenelement 7.1, 7.2, sind die dargestellten Versorgungskanäle 9 bis 11 und Verteilungskanäle 12 bis 14 in den Rahmen 7 der Brennstoffzellen 2 bis 5 bzw. zwischen den Brennstoffzellen 2 bis 5 erzeugbar und in einfacher Weise sicher zueinander abdichtbar.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2 bis 5: Brennstoffzelle
6: Bipolarplatte
6.1: Kühlkanal
7: Rahmen
7.1: erstes Rahmenelement
7.2: zweites Rahmenelement
8: Membran-Elektroden-Einheit
9 bis 11: Versorgungskanal
12 bis 14: Verteilungskanal
KS1, KS2: Kanalstruktur
S1 bis S6: Schweißnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10261482 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) mit mehreren Brennstoffzellen (2 bis 5), welche jeweils aus einer einen umlaufenden Rahmen (7) aufweisenden Bipolarplatte (6) und einer Membran-Elektroden-Einheit (8) gebildet werden, wobei mehrere Brennstoffzellen (2 bis 5) gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7) aus zwei Rahmenelementen (7.1, 7.2) gebildet wird, wobei zur Herstellung einer ersten Brennstoffzelle (2) – in einem ersten Schritt a) in einem unteren Bereich einer Stirnseite einer Bipolarplatte (6) ein diese umlaufendes erstes Rahmenelement (7.1) fluiddicht an dieser befestigt wird, – in einem zweiten Schritt b) an der Unterseite des ersten Rahmenelementes (7.1) eine Membran-Elektroden-Einheit (8) fluiddicht befestigt wird und – in einem dritten Schritt c) in einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte (6) ein die Bipolarplatte (6) umlaufendes zweites Rahmenelement (7.2) jeweils fluiddicht an der Bipolarplatte (6) und dem ersten Rahmenelement (7.1) befestigt wird, wobei zur Herstellung zumindest einer weiteren Brennstoffzelle (3 bis 5) die Schritte a) bis c) wiederholt werden, wobei in einem auf den Schritt b) folgenden Zwischenschritt bb) eine weitere Bipolarplatte (6) mit dem ersten Rahmenelement (7.1) und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit (8) an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes (7.2) der jeweils zuletzt hergestellten Brennstoffzelle (2 bis 4) fluiddicht befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (7.1, 7.2) miteinander, mit der jeweiligen Bipolarplatte (6) und mit der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit (8) verschweißt und/oder verklebt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen in einem Laserschweißverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils einige der Elemente erstes Rahmenelement (7.1), zweites Rahmenelement (7.2), Bipolarplatte (6) und Membran-Elektroden-Einheit (8) zumindest in Bereichen zum Verschweißen derart ausgebildet werden, dass diese laserstrahltransparent für jeweils zumindest eine Laserstrahlung mit einer definierten Wellenlänge sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils einige der Elemente erstes Rahmenelement (7.1), zweites Rahmenelement (7.2), Bipolarplatte (6) und Membran-Elektroden-Einheit (8) zumindest in den Bereichen zum Verschweißen derart ausgebildet werden, dass diese laserstrahlabsorbierend für jeweils zumindest eine Laserstrahlung mit einer definierten Wellenlänge sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der laserstrahlabsorbierenden Eigenschaft der Rahmenelemente (7.1, 7.2), der Bipolarplatte (6) und/oder der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit (8) in den Bereichen zum Verschweißen auf einer der Laserstrahlung abgewandten Seite und/oder einer der Laserstrahlung zugewandten Seite ein die Absorption erhöhendes Material ein- oder aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a), im Schritt b) und im Schritt bb) die Wellenlänge des Laserstrahls derart gewählt wird, dass das erste Rahmenelement (7.1) laserstrahltransparent ist, wobei zwischen dem ersten Rahmenelement (7.1) und der Bipolarplatte (6), zwischen dem ersten Rahmenelement (7.1) und der Membran-Elektroden-Einheit (8) und zwischen dem ersten Rahmenelement (7.1) und dem zweiten Rahmenelement (7.2) jeweils eine Schweißnaht (S1 bis S6) oder mehrere Schweißnähte erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Wellenlänge des Laserstrahls derart gewählt wird, dass das zweite Rahmenelement (7.2) laserstrahltransparent ist, wobei zwischen dem zweiten Rahmenelement (7.2) und der Bipolarplatte (6) und zwischen dem zweiten Rahmenelement (7.2) und dem ersten Rahmenelement (7.1) eine Schweißnaht (S1 bis S6) oder mehrere Schweißnähte erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenelemente (7.1, 7.2) der Brennstoffzellen (2 bis 5) derart angeordnet werden, dass sich in dem Rahmen (7) einer jeweiligen Brennstoffzelle (2 bis 5) und mehrere benachbart angeordnete Rahmen mehrerer Brennstoffzellen (2 bis 5) durchdringende Versorgungskanäle (9 bis 11) und/oder Verteilungskanäle (12 bis 14) bilden.
Brennstoffzellenstapel (1) mit mehreren Brennstoffzellen (2 bis 5), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Brennstoffzellen (2 bis 5) jeweils eine einen umlaufenden Rahmen (7) aufweisende Bipolarplatte (6) umfassen, wobei der Rahmen (7) zwei Rahmenelemente (7.1, 7.2) umfasst, wobei in einem unteren Bereich einer Stirnseite einer Bipolarplatte (6) ein diese umlaufendes erstes Rahmenelement (7.1) fluiddicht an dieser befestigt ist, an einer Unterseite des ersten Rahmenelementes (7.1) eine Membran-Elektroden-Einheit (8) fluiddicht befestigt ist, in einem oberen Bereich der Stirnseite der Bipolarplatte (6) ein die Bipolarplatte (6) umlaufendes zweites Rahmenelement (7.2) jeweils fluiddicht an der Bipolarplatte (6) und dem ersten Rahmenelement (7.1) befestigt ist und eine weitere Brennstoffzelle (2 bis 5) mit dem ersten Rahmenelement (7.1) und der an diesem befestigten Membran-Elektroden-Einheit (8) an einer Oberseite des zweiten Rahmenelementes (7.2) der jeweils zuletzt hergestellten Brennstoffzelle (2 bis 5) fluiddicht befestigt ist.