DE102010028957A1

DE102010028957A1 - Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102010028957A1
Application number: DE102010028957A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Brüne; Thomas Zeller; Dr. Koerber Christian
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Tedatex Industrie Beratung-Planung-Entwic De GmbH
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-17
Also published as: WO2011141308A1

Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel (2) wird beschrieben, welcher mehrere, entlang einer Stapelachse (4) aufeinander folgende Membran-Elektroden-Einheiten (5) sowie entlang der Stapelachse (4) zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten (5) angeordnete Medien-Führungs-Einheiten (8, 9) aufweist. Zumindest zwei, entlang der Stapelachse (4) aufeinanderfolgende Bauelemente (22) des Brennstoffzellenstapels (2) sind mittels einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Klebeschicht (23), die sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt erstreckt, miteinander verbunden. Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Brennstoffzellenstapels (2) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, welcher zumindest zwei, entlang einer Stapelachse aufeinander folgende Medien-Führungs-Einheiten sowie eine entlang der Stapelachse zwischen den Medien-Führungs-Einheiten angeordnete Membran-Elektroden-Einheit aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels.
Bekannte Brennstoffzellenstapel umfassen üblicherweise mehrere Brennstoffzellen, die entlang einer Stapelachse gestapelt sind. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit auf, die beiderseits von Medien-Führungs-Einheiten eingefasst ist, welche der Zufuhr und Verteilung der Medien (Brenngas, meist Wasserstoff, Oxidationsmittel, meist Luft, sowie Kühlmittel) sowie der Abfuhr der gasförmigen Reaktionsprodukte (Wasserdampf) und bei überstöchiometrischem betrieb auch der Reaktionsedukte (Luft, Wasserstoff) sowie der Reaktionswärme durch ein Kühlmittel dienen. Insbesondere weisen herkömmliche Medien-Führungs-Einheiten zu diesem Zweck Bipolarplatten auf, durch welche die Prozessgase diffundieren können und zugleich der erzeugte Strom schließen kann. Im einfachsten Fall bildet ein Brennstoffzellenstapel eine einzelne Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Einheit eingefasst von zwei Medien-FührungsEinheiten.
Brennstoffzellenstapel weisen eine Vielzahl von Bauelementen auf, die miteinander verbunden und abgedichtet werden müssen. Unabhängig von der bauformspezifischen Ausführung stellen die Verbindungsstellen im Betrieb eine besondere Herausforderung dar, weil ihre Funkionalität funktions- und sicherheitsrelevant ist und sie erheblichen thermischen, mechanischen, elektrischen und chemischen Lasten unterliegen. Es ist bekannt, zum Abdichten einzelner Komponenten des Brennstoffzellenstapels kompressible, biegeschlaffe Bauteile zu verwenden oder den Brennstoffzellenstapel insgesamt zu vergießen. Die Handhabung biegeschlaffer Bauteile in (teil-)automatisierten Produktionsprozessen hat jedoch eine Reihe von produktionstechnischen Nachteilen zur Folge. Ebenfalls bekannt ist es, einzelne Komponenten des Brennstoffzellenstapels thermisch durch Löten oder Schweißen miteinander zu verbinden, wobei je nach konkreter Ausführung die Schweißnaht nicht nur der Verbindung, sondern auch der Abdichtung dienen kann.
In der US 2001/0001052 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel der eingangs genanntes Art beschrieben. Er ist aus mehreren Membran-Elektroden-Einheiten sowie zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten angeordneten Trennplatten aufgebaut, die der Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten mit den Prozessgasen sowie der Zirkulation eines Kühlmediums dienen. Dabei handelt es sich um ein System von PEM-(proton exchange membrane)Brennstoffzellen.
Der Brennstoffzellenstapel gemäß der US 2001/0001052 A1 weist aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehende Dichtungsringe auf. Die Dichtungsringe aus thermoplastischem Kunststoff haben die Aufgabe, Trennschichten zwischen einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels, randseitig nach außen abzudichten und zugleich die Komponenten miteinander zu verkleben. Die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels werden mittels des Dichtungsrings folglich nur an den Rändern, also nach außen, aber nicht im Inneren des Brennstoffzellenstapels abgedichtet und miteinander verklebt.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzetllenstapels dergestalt weiterzubilden, dass sich ein Brennstoffzellenstapel ergibt, der eine funktionssichere und einfach herzustellende Bauelement-Verbindung aufweist.
Erfindungsgemäß gelost wird die Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen von Anspruch 15.
Im Sinne der Erfindung dient eine aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Klebeschicht, die sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt erstreckt, zum Verbinden von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bauelementen des Brennstoffzellenstapels. Beim erfindungsgemäßen Herstellen des Brennstoffzellenstapels wird der thermoplastische Kunststoff zumindest auf diejenige Seitenfläche eines der Bauelemente aufgetragen, die im gestapelten Zustand dem anderen Bauelement zugewandt ist.
Generell kann der Stapelquerschnitt des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapelachse variieren. Bei einfachen und kompakten Stapel-Konstruktionen ist der Stapelquerschnitt entlang der Stapelachse weitgehend einheitlich ausgebildet. Beispielsweise ist der Stapelquerschnitt rechteckig oder quadratisch. Der Brennstoffzellenstapel ist z. B. von einem Gehäuse und weiteren Peripherie-Elementen, wie bspw. Prozessgasleitungen, Stromanschlüsse usw., umgeben. Im Sinne der Erfindung umfasst der Stapelquerschnitt des Brennstoffzellenstapels das Gehäuse und die Peripherie-Elemente nicht.
Die Klebeschicht aus thermoplastischem Kunststoff erstreckt sich über den gesamten, an der Verbindungsstelle herrschenden Stapelquerschnitt, d. h. im Wesentlichen sind sämtliche entlang der Stapelachse an der Verbindungstelle gegenüberstehende bzw. aneinander angrenzende Flächenabschnitte der Bauelemente mittels der thermoplastischen Klebeschicht miteinander verbunden. Insbesondere handelt es sich bei den miteinander verbundenen Bauelementen um großflächig aufeinander liegende bzw. aneinander angrenzende Bauelemente, so dass die thermoplastische Klebeschicht relativ große Bereiche des Stapelquerschnitts durchgehend abdeckt. Die thermoplastische Klebeschicht kann jedoch durchaus Aussparungen, Löcher usw. aufweisen. Wenn beispielsweise zumindest eines der Bauelemente an der Seitenfläche, welche dem anderen Bauelement zugewandt ist, eine Ausnehmung oder ähnliches aufweist, wird in diesem Bereich gegebenenfalls auf die thermoplastische Klebeschicht verzichtet.
Aufgrund der Erfindung sind die Bauelemente mit einem einzigen Dicht- bzw. Klebematerial miteinander verbunden und abgedichtet, so dass der Brennstoffzellenstapel an der Trennschicht der beiden Bauelemente sowohl in den Randbereichen als auch im Inneren, d. h. über den gesamten Stapelquerschnitt hinweg, abgedichtet ist.
Vorteilhafterweise dient die erfindungsmäße thermoplastische Klebeschicht auch als Ausgleichsschicht für Fertigungstoleranzen der übrigen Bauelemente. Da der thermoplastische Kunststoff unabhängig vom Herstellungsprozess jederzeit durch Erwärmen in einen plastischen Zustand versetzt werden kann, können Korrekturen z. B. bzgl. der Relativstellung der miteinander verbundenen Komponenten jederzeit durchgeführt werden. Da sich die flexibel anpassbare, thermoplastische Schicht über den gesamten Stapelquerschnitt erstreckt, bleibt eine hohe Dichtigkeit und Festigkeit der Verbindungsstelle auch bei größeren Änderungen der Relativstellung der mittels der Klebeschicht miteinander verbundenen Komponenten über den gesamten Stapelquerschnitt hinweg gewährleistet.
Im Übrigen hat die Erfindung den Vorteil, dass ein solcher Brennstoffzellenstapel kostengünstig und in großer Stückzahl hergestellt werden kann, ohne dass ein Qualitätsverlust in Hinblick auf die Dicht- und Klebeeigenschaften in Kauf genommen werden muss. Der Einsatz biegeschlaffer Bauteile kann auf diese Weise vermieden werden.
Des Weiteren ist es durch den Einsatz eines thermoplastischen Kunststoffes möglich, die Dicht- bzw. Klebeflächen mehrfach aufzuschmelzen und die einzelnen Komponenten auf diese Weise reversibel voneinander zu trennen und anschließend wieder zusammenzufügen. Das ist nicht nur in Hinblick auf erweiterte Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Fertigung von Vorteil, sondern insbesondere auch bei einem Ausfall einer einzelnen Komponente eines solchen Brennstoffzellenstapels. Auf diese Weise ist es möglich, instandhaltungsgerechte und recyclingfreundliche Brennstoffzellenstapel auf hochproduktive und kostengünstige Weise herzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 14 sowie den Ansprüchen 16 und 18.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung, sind die mittels der thermoplastischen Klebeschicht miteinander verbundenen Bauelemente mit Ausnehmungen versehen, durch welche sich zumindest ein entlang der Stapelachse durch die Klebeschicht hindurch erstreckender Funktionshohlraum ergibt. Der Funktionshohlraum ist durch die thermoplastische Klebeschicht zumindest zwischen den Bauelementen und quer zur Stapelachse umfänglich abgedichtet. Durch diese Maßnahme ergibt sich in einfach herzustellender Weise ein zuverlässig abgedichteter Funktionshohlraum. Der Funktionshohlraum kann insbesondere zum Medien-Transport dienen. Andere Einsatzmöglichkeiten sind aber ebenfalls denkbar.
Ein kompakter Aufbau einer Medien-Führungs-Einheit eines erfindungs gemäßen Brennstoffzellenstapels, die sich durch eine hohe Dichtigkeit auszeichnet, ergibt sich, indem die Medien-Führungs-Einheit mehrere, entlang der Stapelachse aufeinander folgende Bauelemente aufweist, die jeweils mittels einer Klebeschicht aus thermoplastischem Kunststoff miteinander verbunden sind, wobei sich die thermoplastischen Klebeschichten im Wesentlichen jeweils über den gesamten Stapelquerschnitt erstrecken.
Insbesondere sind die Bauelemente der Medien-Führungs-Einheit mittels der thermoplastischen Klebeschichten flächig aufeinanderliegend miteinander verbunden, wobei durch Ausnehmungen bzw. Durchbrüche der Bauelemente im Inneren der Medien-Führungs-Einheit eine Kanalstruktur gebildet ist, und wobei die Kanalstruktur zumindest zwischen den Bauelementen und quer zur Stapelachse durch die thermoplastischen Klebeschichten abgedichtet ist.
Kanäle der sich auf diese Weise ergebenden Kanalstruktur können flexibel durch die Medien-Führungs-Einheit geführt werden ohne dass sich Einbußen in Bezug auf die Dichtigkeit der Kanäle ergeben.
Im Falle einer alternativen Erfindungsbauart weisen mittels eines thermoplastischen Klebeschicht miteinander verbundene Bauelemente einer Medien-Führungs-Einheit Umformungen auf, durch welche im Inneren der Medien-Führungs-Einheit eine Kanalstruktur gebildet ist Beispielhaft zu nennen sind Prägungen oder sickenförmige Umformungen, durch welche sich strukturierte Bauelemente ergeben.
Im Falle einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Bauelemente dünnflächig ausgebildet. Beispielsweise können die Bauelemente als Platten, Folien oder ähnliche Materialschichten ausgebildet sein.
Dünnflächige Bauelemente, insbesondere Bleche, können leicht durch mechanische, wie bspw. Stanzen, oder thermische Verfahren, wie bspw. Laserschneiden, bearbeitet werden. Bearbeitungsmethoden wie Fräsen, Bohren oder Formgebung durch Spritzguss können weitgehend vermieden werden.
Eine kostengünstige und fertigungstechnisch vorteilhafte Variante ergibt sich, wenn die dünnflächigen Bauelemente aus Metall bestehen, d. h. die Bauelemente insbesondere als Bleche ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Bauelemente oder zumindest ein Teil der Bauelemente aus Aluminiumblech gefertigt sind. Vorteilhaft an Aluminiumblech für den Einsatz in dem Brennstoffzellenstapel sind dessen niedrige Dichte, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie dessen Korrosions beständigkeit durch die passivierbare Oberfläche. Darüber hinaus ist Aluminium problemlos mechnisch und thermisch bearbeitbar.
Vorzugsweise sind die flächigen Bauelemente außerdem zumindest weitgehend eben bzw. flach ausgestaltet, d. h. sie weisen zumindest weitgehend keine aus der Bauelement-Ebene vorstehenden Umformen, Abstandselemente usw. auf.
Gemäß einem eigenständigen Aspekt der Erfindung ergibt sich ein Brennstoffzellenstapel mit einer besonders kompakt bauenden Medien-Führungs-Einheit, indem die Medien-Führungs-Einheit mehrere dünnflächige und ebene Bauelemente, insbesondere Bleche, aufweist, die entlang der Stapelachse flächig aufeinander liegen, d. h. ohne Abstandshalter oder Ähnlichem aufeinander gestapelt sind. Im Inneren der Medien-Führungs-Einheit ist eine Kanalstruktur durch Ausnehmungen der Bauelemente ausgebildet. Dieser Erfindungsaspekt ist auch ohne den Einsatz von thermoplastischem Kunststoff zum Verkleben der Bauelemente eigenständig vorteilhaft. Beispielsweise können die Bauelemente auch miteinander verlötet und auf andere Weise miteinander verbunden und abgedichtet sein.
Dank eines derartigen Aufbaus einer Medien-Führungs-Einheit kann die Kanalstruktur im Inneren der kompakt bauenden Medien-Führungs-Einheit ausgesprochen filigran und mit hohem Freiheitsgrad hinsichtlich der geometrischen Gestaltung ausgebildet sein. Durch die Kanäle der filigranen Kanalstruktur werden vorzugsweise die Prozessgase, bzw. das Kühlmedium der Membran-Elektroden-Einheit zu- bzw. von dieser abgeführt. Die Zu- bzw. Abfuhr der Prozessgase kann mit Hilfe eines solchen Aufbaus auf einfache Weise durch getrennte Ein- bzw. Ausströmkanäle erfolgen. Weiter ist es durch einen solchen Aufbau möglich, die Prozessgase auf einfache Weise an mehreren Stellen der Membran-Elektroden-Einheit dergestalt zuzuführen, dass auch eine große Fläche gleichmäßig mit Gas versorgt werden kann, verarmte Zonen in der Reaktionsfläche vermieden und Stromspitzen weitgehend verhindert werden können. Hohe Reaktionskonzentrationen werden ebenfalls vermieden, so dass eine gleichmäßige Nutzung der Katalysatorpartikel über die gesamte Reaktionsfläche möglich ist. Auch ermöglicht ein solcher Aufbau einen geringeren Gasüberschuß an Reaktionsedukten und damit einen fast stöchiometrischen Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Durch eine solche Ausgestaltung der Kühlmittelkanäle ist es weiter möglich, den Brennstoffzellenstapel gleichmäßig zu kühlen.
Fertigungstechnische Vorteile ergeben sich, wenn eine Medien-Führungs-Einheit mehrere, entlang der Stapelachse aufeinanderfolgende, dünnflächige Bauelemente, insbesondere Bleche, aufweist, die zu einer, vorzugsweise zu beiden, der Hauptachsen des Stapelquerschnitts weitgehend spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Auf diese Weise ergibt sich im Bereich der spiegelsymmetrisch ausgebildeten Bauelemente auch eine spiegelsymmetrisch aufgebaute Kanalstruktur mit einer gleichmäßig thermischen, mechanischen und elektrischen Lastverteilung über den Stapelquerschnitt hinweg.
Vorzugsweise sind die Bauelemente mittels thermoplastischen Klebeschichten verbunden, so dass die Kanäle der Kanalstruktur im Inneren der Medien-Führungs-Einheit gegeneinander und nach außen durch die thermoplastischen Klebeschichten abgedichtet sind. Dank dieses Aufbaus der Medien-Führungs-Einheit können filigrane Hohlraumstrukturen bzw. Kanalstrukturen einfach, kostengünstig und effizient herstellt werden, die mittels der thermoplastischen Klebeschichten funktionssicher abgedichtet sind.
Der Brennstoffzellenstapel kann vorzugsweise als Stapel von Einzelzellen ausgebildet sein, wobei mindestens zwei dieser Einzelzellen durch eine aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Klebeschicht miteinander verbunden werden, welche sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Einzelzellen erstreckt. Eine Einzelzelle besteht dabei aus einer Membran-Elektroden-Einheit sowie Medien-Führungs-Einheiten, insbesondere der vorstehend beschriebenen Konstruktion. Dabei ist es ebenfalls möglich, die Membran-Elektroden-Einheit mit einem eigenen Rahmen zu versehen und die Medien-Führungs-Einheiten ohne feste Verbindung, wie z. B. einer Klebeschicht, zur Membran-Elektroden-Einheit anzuordnen. Soll eine der Einzelzellen aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden, so kann die thermoplastische Klebeschicht aufgeschmolzen, die Einzelzelle entfernt und der Rest des Brennstoffzellenstapels mittels einer neuen thermoplastischen Klebeschicht wieder verbunden und abgedichtet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Brennstoffzellen als PEM-Brennstoffzellen ausgeführt.
Vorzugsweise sind die Medien-Führungs-Einheiten, die sich zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten befinden, so aufgebaut, dass sie jeweils zu beiden Seiten an gleichartige Betriebsseiten der Membran-Elektroden-Einheiten, d. h. entweder an die Anodenseiten oder an die Kathodenseiten der Membran-Elektroden-Einheiten, angrenzen. Diese Stapelfolge hat der Vorteil, dass auf eine Gasbarriere zwischen demjenigen Abschnitt der Medien-Führungs-Einheit, der eine der beiden angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit versorgt, und demjenigen Abschnitt der Medien-Führungs-Einheit, der die andere Membran-Elektroden-Einheit versorgt, verzichtet werden kann.
Im Übrigen wird der Strom bei dieser Anordnung vorzugsweise nicht durch die Medien-Führungs-Einheiten geleitet, sondern über diejenigen Bauelemente, die in unmittelbar, stromleitendem Kontakt mit der Membran-Elektroden-Einheit stehen, abgeleitet. Auf diese Weise wird die Bildung elektrochemischer Zellen vermieden und auf die Verwendung von Bioplarplatten kann vollständig verzichtet werden.
Jede der Membran-Elektroden-Einheiten kann separat geschaltet werden, so dass sich eine große Bandbreite von Möglchkeiten der Verschaltung einzelner Zellen, Blöcken von Einzelzellen oder Teilstapeln ergibt. So ist auch eine parallele Verschaltung der Einzelzellen oder Blöcken von Einzelzellen möglich, was insbesondere bei einem Ausfall einer Zelle von Vorteil ist.
Vorzugsweise weist der verwendete, thermoplastische Kunststoff ein kristallines Verhalten auf, was den Vorteil hat, dass die Glasübergangstemperatur keinen Einfluss auf das Verhalten des Kunststoffes bei verschiedenen Temperaturen hat. Dabei kann es sich bei dem thermoplastischen Kunststoff sowohl um einen vollständig kristallinen Kunststoff, als auch um einen Kunststoff mit überwiegend kristalliner Struktur, der bspw. zu 60% kristallin ist, handeln.
Die thermoplastische Klebeschicht bzw. die thermoplastischen Klebeschichten, welche sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt erstrecken, ermöglichen durch geeignete Wahl der elektrischen, und thermischen Leitfähigkeit des verwendeten Kunststoffs ein optimales Einstellen der elektrischen und thermischen Eigenschaften innerhalb des Brennstoffzellenstapels.
Der thermoplastische Kunststoff ist bevorzugt säurebeständig ausgebildet. Da in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen innerhalb der Membran-Elektroden-Einheiten häufig Phosphorsäure, in Nieder-Temperatur-Brennstoffzellen häufig Nafion als Elektrode eingesetzt wird, behält der thermoplastische Kunststoff so seine dichtenden sowie verklebenden Eigenschaften, auch wenn er mit chemisch aktiven Substanzen in Kontakt kommen sollte.
In weiteren, bevorzugten Ausführungsformen besteht der thermoplastische Kunststoff beispielsweise aus Perfluoralkoxyalkan (PFA), fluorierten Ethylen-Propylenen (FEP) wie FEP-Norton^®, aromatischen Polymeren wie PEEK^TM oder aus mit einer Polyfluorcarbon-Beschichtung wie FEP oder PFA versehenen Polyimiden wie Kapton^®, Norton^®, StablEdge^®, Talmide^® oder UL^®.
Vorzugsweise weist der thermoplastische-Kunststoff eine Einsatztemperatur zwischen –40°C und 200°C auf. Auf diese Weise kann der Brennstoffzellenstapel über einen weiten Temperaturbereich hinweg betrieben werden. Sowohl der Betrieb eines Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapels (NT-PEM) als auch eines Hochtemperaturbrennstoffzellenstapels (HT-PEM) ist auf diese Weise möglich.
Im Falle einer Erfindungsvariante wird zumindest ein Bauelement zunächst an der zu verbindenden Seitenfläche mit dem thermoplastischen Kunststoff beschichtet und anschließend Ausnehmungen in das Bauelement eingebracht. Der thermoplastische Kunststoff kann in einfacher Weise auf die (noch) durchgängige Seitenfläche des Bauelementes aufgetragen werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zunächst Ausnehmungen, Durchbrüche, Aussparungen usw. in zumindest ein Bauelement eingebracht und das Bauelement erst anschließend mit einem thermoplastischen Kunststoff beschichtet. Da auf diese Weise sowohl die Handhabung biegeschlaffer Bauteile vermieden als auch der Verschnitt sortenrein entsorgt werden kann, bringt ein solches Verfahren insbesondere in (teil-)automatisierten Produktionsprozessen eine Reihe von Vorteilen mit sich.
Die Auftragung des thermoplastischen Kunststoffes erfolgt insbesondere selektiv, d. h. nur auf den Bereichen der Seitenfläche der Bauelemente, die anschließend auch mit einem anderen Bauelement verbunden werden.
In der Praxis bewährt hat sich ein Auftragen des thermoplastischen Kunststoffs durch Laminieren. Bei anderen vorteilhaften Verfahrensvarianten geschieht dies durch Tauchen, Extrusion, Siebdruck, Siebdruck mit rotierenden Sieben oder ein Hotmelt-Verfahren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine maschinelle Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale können für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: den Aufbau eines Brennstoffzellenaggregats mit einem Brennstoffzellenstapel und
2: einen Schnitt durch einen Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels aus 1.
1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellenaggregats 1 z. B. für den mobilen Einsatzbereich. Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 und ein den Brennstoffzellenstapel 2 umgebendes Gehäuse 3 auf. Das Gehäuse 3 umfasst nicht gezeigte Zu- und Abführleitungen für die Prozessgase, Stromanschlüsse usw..
Der Brennstoffzellenstapel 2 weist mehrere, entlang einer Stapelachse 4 aufeinanderfolgende Membran-Elektroden-Einheiten 5 auf, die jeweils eine Anodenseite 6 und eine Kathodenseite 7 besitzen. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 5 ist jeweils eine Medien-Führungs-Einheit 8 und 9 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Größenverhältnisse des Brennstoffzellenstapels 2 in 1 nicht maßstabgetreu gezeigt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 5 und die Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 sind im Vergleich zur Breite des Brennstoffzellenstapels 2 wesentlich schmaler ausgebildet.
Es sind zwei verschiedene Arten von Medien-Führungs-Einheiten 8 und 9 vorgesehen. Mittels den Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 wird das Verbrennungsgas, insbesondere Wasserstoff, den Kathodeten 7 der Membran-Elektroden-Einheiten 5 zugeführt. Eine Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 ist daher jeweils zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 5 angeordnet, deren Kathodenseiten 7 der Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 zugewandt sind.
Mittels den Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheiten 9 wird das Oxidationsgas, insbesondere verdichtete Umgebungsluft, den Anodenseiten 6 der Membran-Elektroden-Einheiten 5 zugeführt. Dementsprechend sind die Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheiten 9 (außer den beiden außenliegenden) jeweils von zwei Membran Elektroden-Einheiten 5 eingefasst, deren Anodenseiten 6 der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 zugewandt sind. Die Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 dienen außerdem zum Abtransport von Reaktionsgasen, insbesondere Wasserdampf, sowie von überschüssigen Ausgangsgasen. Des Weiteren kann ein Kühlmittel durch die Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 zirkulieren.
Der Brennstoffzellenstapel 2 weist einen entlang der Stapelachse 4 weitgehend einheitlichen, rechteckigen Stapelquerschnitt auf, der in 1 insgesamt mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Beispielweise kann der Stapelquerschnitt 10 eine Rechtecksfläche von 200 mm × 240 mm überspannen. Andere Querschnittsformen und -größen können aber je nach Verwendung und Einbausituation des Brennstoffzellenaggregats 1 vorteilhaft sein.
2 zeigt einen beispielhaften Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 in einer Ansicht auf eine parallel zur Stapelachse 4 verlaufende Schnittebene. Die Lage des gezeigten Ausschnittes innerhalb des Brennstoffzellenstapels in 1 ist durch einen gestrichelten Rahmen 11 angedeutet. Die Seitenverhältnisse des Rahmens entsprechend aufgrund der verzerrten Darstellung des Brennstoffzellenstapels 2 in 1 nicht den tatsächlichen Verhältnissen und unterscheiden sich von den Seitenverhältnissen gemäß 2.
Im Wesentlichen sind (in 2 von unten nach oben) eine Sauerstoff Medien-Führungs-Einheit 9, eine Membran-Elektroden-Einheit 5 sowie eine Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 jeweils nur ausschnittsweise gezeigt. An die gezeigten Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 grenzt entlang der Stapelachse 4 jeweils wieder eine Membran-Elektroden-Einheit 5 usw. an.
Gemäß 2 weist die Membran-Elektroden-Einheit 5 ein rahmenförmiges Distanzblech 14 mit einer relativ großen, mittigen Ausnehmung 15 auf. In der Ausnehmung 15 des rahmenförmigen Distanzblechs 14, d. h. in 2 ausgehend von dem gezeigten Abschnitt des Distanzblechs 14 nach links, sind zwei bspw. aus Viton bestehende Dichtungsringe 16 vorgesehen. Auf die Dichtungsringe 16 folgen zwei Gasdiffusionsschichten 17. In 2 ist jeweils nur ein kleiner Randabschnitt der Gasdiffusionsschichten 17 gezeigt. Die Gasdiffusionsschichten 17 erstrecken sich jedoch über einen großen Abschnitt der mittigen Ausnehmung 15 des rahmenförmigen Distanzstückes 14. Sie schließen zwischen sich die Reaktionszone der Membran-Elektroden-Einheit 5 (nicht gezeigt) ein, welche eine Membran, z. B. eine Protonen-Austausch-Membran, und Katalysatorschichten aufweist.
Außerdem ist in 2 eine zwischen den beiden Gasdiffusionsschichten 17 und den beiden Dichtungsringen 16 angeordnete Berandung 1 dargestellt, welche die Reaktionszone der Membran-Elektroden-Einheit 5 umfänglich umgibt.
Des Weiteren weist die Membran-Elektroden-Einheit 5 eine entlang der Stapelachse 4 zwischen dem rahmenförmigen Distanzblech 14 und der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 angeordnete Potentialtrennschicht 20 auf. Die Potentialtrennschicht 20 ist deckungsgleich zum rahmenförmigen Distanzblech 14 ausgebildet. Sie besteht aus einem elektrisch isolierenden Material und dient zur Potentialtrennung zwischen dem Distanzblech 14 und der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Potentialtrennschicht 20 von einer thermoplastischen Materialschicht gebildet, die zugleich als Klebeschicht ausgeführt ist. Alternativ kann die Potentialtrennschicht 20 z. B. eine klebend beschichtete Kunststofffolie aufweisen. Die Potentialtrennschicht 20 kann auch ohne Klebeverbindung an entsprechender Stelle eingelegt werden.
Die Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel sieben dünnflächige und ebene Strukturbleche 22, vorzugsweise aus Aluminium. Bei alternativen Bauarten kann die Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 auch weniger oder mehr Strukturbleche 22 aufweisen. Die Strukturbleche 22 erstrecken sich jeweils über den gesamten Stapelquerschnitt 10 und sind über den gesamten Stapelquerschnitt 10 eben bzw. flach ausgebildet. Sie weisen zwei unterschiedliche Dicken, z. B. 0.75 mm und 0.25 mm, auf.
Des Weiteren liegen die Strukturbleche 22 entlang der Stapelachse 4 flächig aufeinander. Sie sind mittels thermoplastischen Klebeschichten 23, die sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt 10 erstrecken, miteinander verbunden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strukturblechen 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel folglich jeweils nur die thermoplastische Klebeschicht 23 vorgesehen. Eine Ausnahme stellt lediglich die Verbindungstelle zwischen dem in 2 von unten dritten und vierten Strukturblech 22 dar. Zwischen diesen Strukturblechen 22 ist eine weitere Potentialtrennschicht 24 angeordnet, welche analog der Potentialtrennschicht 20 aufgebaut ist.
Aufgrund der Potentialtrennschicht 24 erfolgt eine Potentialtrennung zwischen dem oberen und unteren Abschnitt der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9. Beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 ist daher das elektrische Potential im oberen Abschnitt der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 durch das Potential an der Kathodenseite 7 der in 2 dargestellten Membran-Elektroden-Einheit 5 bestimmt. Dahingegen ist das Potential im unteren Abschnitt der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 durch die Kathodenseite 7 derjenigen Membran-Elektroden-Einheit 5 bestimmt, die an der anderen Seite der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 angrenzt (nicht gezeigt).
Die thermoplastischen Klebeschichten 23 bestehen aus einem thermoplastischen Kunststoff, der thermisch und elektrisch isolierend sowie säurebeständig ausgebildet ist. Darüber hinaus sind die thermoplastischen Klebeschichten 23 über einen weiten Temperaturbereich thermoresistent.
Bei alternativen Ausführungsformen können alle oder ein Teil der thermoplastischen Klebeschichten 23 aus einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Kunststoff bestehen. Die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Thermoplasten hat den Vorteil, dass die stromleitende Fläche vergrößert wird und Kondensatoreffekte vermieden werden. Es wird so verhindert, dass sich zwischen den durch die Strukturbleche 22 definierten Ebenen Potentiale aufbauen, die zu Elektrolysenestern führen können.
Im Übrigen weist der verwendete thermoplastische Kunststoff kristallines Verhalten auf, d. h. die Glasübergangstemperatur kann aufgrund der überwiegend kristallinen Struktur des thermoplastischen Kunststoffes hinsichtlich seiner Funktionalität vernachlässigt werden. Der thermoplastische Kunststoff ist in einem Temperaturbereich zwischen –40°C und 200°C zuverlässig einsetztzbar. Beispielsweise handelt es sich bei dem thermoplastischen Kunststoff um ein Perfluoralkoxyalkan (PFA), ein fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), ein aromatisches Polymer oder aus mit einer Polyfluorcarbon-Beschichtung wie FEP oder PFA versehenen Polyimiden wie Kapton^®, Norton^®, StablEdge^®, Tatmide^® oder UL^®.
Die Strukturbleche 22 weisen eine Vielzahl an Ausnehmungen 25, insbesondere Durchbrüche bzw. Durchtrittsöffnungen auf. Die thermoplastischen Klebeschichten 23 weisen teilweise entsprechende Ausnehmungen 26 bzw. Löcher auf. Durch die Ausnehmungen 25 bildet sich im Inneren der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 eine filigrane Kanalstruktur 27 aus, welche durch die thermoplastischen Klebeschichten 23 in sich und nach außen abgedichtet ist.
Beispielsweise ergibt sich durch eine Ausnehmung 25 in Form einer kreisförmigen Durchtrittsöffnung in einem Strukturblech 22 und eine Ausnehmung 25 in Form einer kreisförmigen Durchtrittsöffnung in dem angrenzenden Strukturblech 22 ein Funktionshohlraum 30, der sich entlang der Stapelachse 4 durch die zwischen den Strukturblechen 22 angeordnete thermoplastische Klebeschicht 23 hindurch erstreckt. Die thermoplastische Klebeschicht 23 weist an dieser Stelle eine entsprechende Ausnehmung 26 in Form einer Durchtrittsöffnung auf. Durch die thermoplastische Klebeschicht 23 ist der Funktionshohlraum 30 zwischen den Strukturblechen 22 und quer zur Stapelachse 4 umfänglich abgedichtet. Der Funktionshohlraum 30 bildet einen Abschnitt eines Längskanals 33 der Kanalstruktur 27 der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9.
Ein Querkanal 34, d. h. ein Kanal der senkrecht zur Stapelachse 4 verläuft, bildet sich z. B. durch eine schmale, längliche Ausnehmung 25 an dem in 2 von unten zweiten Strukturblech 22, welche in der Schnittebene nach 2 verläuft.
In 2 sind beispielhaft nur einzelne Ausnehmungen 25, 26 sowie Kanäle 33, 34 mit Bezugszeichen versehen. Insgesamt umfasst die Kanalstruktur 27 viele miteinander kommunizierende Längs- 33 und Querkanäle 34. Ein Teil der Kanäle 33, 34 dient der Zufuhr von gegebenenfalls verdichteter Umgebungsluft zur Membran-Elektroden-Einheit 5. Insbesondere strömt das zuzuführende Reaktionsgas, gegebenenfalls verdichtete Luft, gleichmäßig verteilt. durch eine Vielzahl von Einströmöffnungen 35 an zwei Strukturblechen 22, die jeweils als Elektrodenabdeckbleche dienen, in die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten 5 und dort in die nicht gezeigte Reaktionszone.
Ein anderer Teil der Kanäle 33, 34 dient zum Abtransport von gebildetem Wasserdampf sowie nicht umgesetzten Reaktionsgasen. Hierzu weisen die als Elektrodenabdeckbleche dienenden Strukturbleche 22 eine Vielzahl von nicht gezeigten Ausströmöffnungen auf, durch die der Wasserdampf und überschüssiges Reaktionsgas aus den Membran-Elektroden-Einheiten 5 ausgeführt werden können. Schließlich dient ein Teil der Kanäle 33, 34 zur Zirkulation eines Kühlmittels.
Die Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 ist analog zur Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 aufgebaut. Sie umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls sieben Strukturbleche 22, die mittels thermoplastischen Klebeschichten 23, welche sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt 10 erstrecken, verbunden sind. Eine filigrane Kanalstruktur 27 ist ebenfalls entsprechend der Kanalstruktur 27 der Sauerstoff-Medien-Führungs-Einheit 9 im Inneren der Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 durch eine Vielzahl von Ausnehmungen 25 in den Strukturblechen 22 ausgebildet. Zwei als Elektrodenabdeckbleche dienende Strukturbleche 22 sind mit Einströmöffnungen 35 und nicht gezeigten Ausströmöffnungen versehen. Schließlich weist die Wasserstoff-Medien-Führungs-Einheit 8 auch eine Potentialtrennschicht 24 auf.
Die Strukturbleche 22 beider Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 sind weitgehend spiegelsymmetrisch zu den Hauptachsen des Stapelquerschnitts 10 ausgebildet. Daher sind die Kanalstrukturen 27 der Medien-Führungs-Einheiten 8, 9 ebenfalls spiegelsymmetrisch zu den Hauptachsen des Stapelquerschnitts 10 gestaltet. Durch die symmetrische Gestaltung der Kanalstrukturen 27 ergibt sich vorteilhafter Weise eine gleichmäßige thermische, mechanische und elektrische Lastverteitung über den Stapelquerschnitt 10 hinweg. Zudem werden im Falle einer mechanischen Fertigung die Werkzeugkosten gesenkt.
Im Übrigen wird der in der Reaktionszone der Membran-Elektroden-Einheit 5 erzeugte Strom jeweils zumindest über die unmittelbar an die Membran-Elektroden-Einheit 5 angrenzenden Strukturbleche 22, den Elektroden abdeckblechen, abgeführt. Besteht elektrischer Kontakt zwischen mindestens einem der Elektrodenabdeckblechen und mindestens einer anderen Ebene, so kann der Strom auch zusätzlich oder ausschließlich über diese andere Ebene bzw. Ebenen abgeführt werden, was zu einer Senkung des inneren Widerstandes führt. Auf diese Weise kann jede der Membran-Elektroden-Einheiten 5 einzeln verschaltet werden. Über die Medien-Führungs-Einheit 8, 9 muss daher kein Strom abfließen, so dass sich kein elektrochemisches Potential zwischen den einzelnen Ebenen ausbilden kann und so das Korrosionsrisiko minimiert wird.
Der Brennstoffzellenstapel 2 ist im Wesentlichen aus zwei sich abwechselnd wiederholenden Stapelfolgen ihrer Bauelemente (Strukturbleche 22 und Bauelemente der Membran-Elektroden-Einheiten 5) aufgebaut. In 2 ist eine der Stapelfolgen gezeigt. Die zweite Stapelfolge schließt sich jeweils in 2 oben und unten an. Des Weiteren ist der Brennstoffzellenstapel 2 aus mehreren Einzelzellen 37 aufgebaut. Vorteilhafterweise nutzen die aufeinanderfolgenden Einzelzellen 37 jeweils ein gemeinsames Strukturblech 22, z. B. das in 2 von unten vierte Strukturblech 22 oder das in 2 von oben vierte Strukturblech 22.
Zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 2 werden die Strukturbleche 22 zunächst mit Ausnehmungen 25 versehen. Anschließend wird der thermoplastische Kleb- und Dichtstoff auf zumindest eine Seitenfläche eines der miteinander zu verbindenden Strukturbleche 22 selektiv aufgetragen. Das Auftragen des Kleb- und Dichtstoffes kann bspw. durch Extrusion, Laminierung, Tauchen oder Siebdruck oder als Hotmelt erfolgen. Eine solche Vorgehensweise ist möglich, da der thermoplastische Kunststoff als Kleb- und Dichtstoff mehrfach und ohne Qualitäts- und Leistungsverluste bspw. durch Erwärmung aktivierbar ist, nämlich beim Erstauftrag sowie beim späteren Verbacken, während er nach dem Erstauftrag bzw. dem Verkleben des Brennstoffzellenstapels 2 nicht mehr klebrig ist.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel für eine maschinelle Anlage zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels 2 bietet eine im Folgenden beschriebene Transferstraße. An einer ersten Station der Transferstraße werden Rohbleche von einem Coil abgetrennt und gerichtet. Anschließend werden die Rohbleche an einer zweiten Station mechanisch oder thermisch mit Ausnehmungen 25 versehen. Anschließend werden sie z. B. durch Plasmaätzen oberflächengereinigt (dritte Station). An einer vierten Station werden die Strukturbleche 22 dann mittels Laminierung, Tauchen, Siebdruck oder Extrusion mit Thermoplasten selektiv an zumindest einer Seitenfläche beschichtet. Schließlich werden die beschichteten Strukturbleche 22 einer Stapeleinrichtung zugeführt, in der sie unter Druck und bspw. induktiv eingebrachter Prozesswärme miteinander verklebt werden. Über die Ausprägung der Stapeleinrichtung wird sichergestellt, dass die produzierten Komponenten planparallele Oberflächen haben, so dass Maßabweichungen durch Kettenmaße in der nachfolgenden Aneinanderreihung zu einem Brennstoffzellenstapel 2 minimiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2001/0001052 A1 [0004, 0005]

Claims

Brennstoffzellenstapel (2), welcher zumindest zwei, entlang einer Stapelachse (4) aufeinander folgende Medien-Führungs-Einheiten (8, 9) sowie eine entlang der Stapelachse (4) zwischen den Medien-Führungs-Einheiten (8, 9) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, entlang der Stapelachse (4) aufeinanderfolgende Bauelemente (22) des Brennstoffzellenstapels (2) mittels einer aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Klebeschicht (23), die sich im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt (10) erstreckt, miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der thermoplastischen Klebeschicht (23) miteinander verbundenen Bauelemente (22) Ausnehmungen (25) aufweisen, durch welche sich zumindest ein entlang der Stapelachse (4) durch die Klebeschicht (23) hindurch erstreckender Funktionshohlraum (30) ergibt, welcher durch die Klebeschicht (23) zumindest zwischen den Bauelementen (22) und quer zur Stapelachse (4) umfänglich abgedichtet ist, wobei der Funktionshohlraum (30) vorzugsweise einen Abschnitt eines Medien-Führungs-Kanals (33) bildet.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Medien-Führungs-Einheit (8, 9) mehrere, entlang der Stapelachse (4) aufeinander folgende Bauelemente (22) aufweist, die jeweils mittels einer thermoplastischen Klebeschicht (23) miteinander verbunden sind, wobei sich die thermoplastischen Klebeschichten (23) jeweils im Wesentlichen über den gesamten Stapelquerschnitt (10) erstrecken.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer thermoplastischen Klebeschicht (23) miteinander verbundene Bauelemente (22) einer Medien-Führungs-Einheit (8, 9) flächig aufeinander liegen, wobei im Inneren der Medien-Führungs-Einheit (8, 9) eine Kanalstruktur (27) durch Ausnehmungen (25) an den Bauelementen (22) gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer thermoplastischen Klebeschicht miteinander verbundene Bauelemente einer Medien-Führungs-Einheit Umformungen aufweisen, durch welche im Inneren der Medien-Führungs-Einheit eine Kanalstruktur gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (22) dünnflächig, insbesondere als Bleche, vorzugsweise als Aluminiumbleche ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (22) eben sind.
Brennstoffzellenstapel nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Medien-Führungs-Einheit (8, 9) mehrere dünnflächige und ebene Bauelemente (22), insbesondere Bleche, aufweist, die entlang der Stapelachse (4) flächig aufeinander liegen und insbesondere mittels jeweils einer thermoplastischen Klebeschicht (23) miteinander verbunden sind, wobei im Inneren der Medien-Führungs-Einheit (8, 9) eine Kanalstruktur (27) durch Ausnehmungen (25) an den Bauelementen (22) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Medien-Führungs-Einheit (8, 9) mehrere, entlang der Stapelachse (4) aufeinanderfolgende, dünnflächige Bauelemente (22), insbesondere Bleche, aufweist, die zu zumindest einer, vorzugsweise beiden, Hauptachsen des Stapelquerschnitts (10) weitgehend spielgelsymmetrisch ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) mehrere Einzelzellen (37) aufweist, wobei zwei, mittels einer thermoplastischen Klebeschicht (23) miteinander verbundene Bauelemente (22) zwei verschiedenen Einzelzellen (37) zugeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff kristallines Verhalten aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff thermisch leitfähig, elektrisch leitfähig und/oder säurebeständig ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem thermoplastischen Kunststoff um ein Perfluoralkoxyalkan (PFA), ein fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), ein aromatisches Polymer oder ein mit PFA oder FEP beschichtetes Polyimid handelt.
Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff eine zulässige Einsatztemperatur zwischen –40°C und 200°C aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels welcher zumindest zwei, entlang einer Stapelachse (4) aufeinander folgende Medien-Führungs-Einheit (8, 9) sowie eine entlang der Stapelachse (4) zwischen den Medien-Führungs-Einheiten (8, 9) angeordnete Membran-Elektroden-Einheit (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, entlang der Stapelachse (4) aufeinander folgende Bauelemente (22) durch eine thermoplastische Klebeschicht (23) miteinander verbunden werden, indem ein thermoplastischer Kunststoff, bevor die Bauelemente (22) gestapelt werden, mindestens auf diejenige Seitenfläche eines der Bauelemente (22) aufgetragen wird, die im gestapelten Zustand dem anderen Bauelement (22) zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (22), vorzugsweise vor dem Auftragen des thermoplastischen Kunststoffs, mit Ausnehmungen (25) versehen werden, die nach dem Verbinden der Bauelemente (22) zumindest einen Abschnitt eines Medien-Führungs-Kanals (33, 34) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff mittels Laminieren, Tauchen, Extrusion, Siebdruck und/oder eines Hotmelt-Verfahrens auf das oder die Bauelemente (22) aufgetragen wird.
Maschinelle Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 17.