DE102013108413A1

DE102013108413A1 - Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzelle/Elektrolyseur

Info

Publication number: DE102013108413A1
Application number: DE102013108413.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: DE102013108413B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, umfassend die Schritte: – Herstellen eines ersten Bauteils (4), umfassend eine erste Gaskanalstruktur (6); – Herstellen eines zweiten Bauteils (8), umfassend eine zweite Gaskanalstruktur (11); – Stapeln des ersten und des zweiten Bauteils (4, 8) mit einander zugewandten Gaskanalstrukturen (6, 11) unter Zwischenanordnung einer die Gaskanalstrukturen (6, 11) trennenden Elektrolyteinheit (7). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Gaskanalstruktur (6, 11) mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere mittels Laser-, Elektronenstrahl- oder Wasserdampfstrahlsintern, hergestellt werden und dass das erste und das zweite Bauteil (4, 8), bevorzugt materialschlüssig und/oder durch Schweißen und/oder Löten und/oder mittels eines generativen Verfahrens, miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit den Schritten des Herstellens eines ersten Bauteils, aufweisend eine erste Gaskanalstruktur und des Herstellens eines zweiten Bauteils, aufweisend eine zweite Gaskanalstruktur, wobei die beiden Bauteile unter Zwischenanordnung einer Elektrolyteinheit gestapelt werden. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur mit Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 17.
Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugefügten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Es handelt sich also um einen Energiewandler, der grundsätzlich auch in umgekehrte Richtung betreibar ist (Elektrolyseur).
Brennstoffzellen umfassen in der Regel Brennstoffzellenstacks (Brennstoffzellenstapel), die aus einer Vielzahl von gestapelten Bipolarplatten bestehen, wobei zwischen jeweils benachbarten Bipolarplatten eine Elektrolyteinheit aufgenommen ist und die Bipolarplatten gegeneinander über eine Elastomerringdichtung abgedichtet sind. Der Bipolarplattenstapel wird durch mechanisches Spannen lösbar aneinander fixiert.
Die Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels weisen auf einer ersten Flächenseite eine Gaskanalstruktur und auf der gegenüberliegenden Seite eine Fluidkanalstruktur auf. Üblicherweise handelt es sich bei den Bipolarplatten um gefräste Bauteile oder Pressteile, die mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden, da die eingesetzten Gase in der Regel sehr reaktiv sind und somit das Material angreifen können. Auch ist der Einsatz von Kunststoffspritzgussteilen als Bipolarplatten bekannt.
Nachteilig bei den bekannten Brennstoffzellenstapeln ist deren kostenintensiver Aufbau, was insbesondere auch darauf zurückzuführen ist, dass die Abdichtung der Gaskanalstrukturen aufgrund der lediglich mechanischen Anpressung der Bipolarplatten unter Zwischenanordnung einer Ringdichtung sehr aufwendig ist.
Der Erfindung liegt dazu die Aufgabe zugrunde, einen vereinfachten und kostengünstigeren Fertigungsprozess zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, mit welchem insbesondere Dichtigkeitsprobleme sicher vermieden werden können. Dabei besteht die Aufgabe darin eine entsprechend optimiert herstellbare Brennstoffzelle sowie einen zugehörigen Brennstoffzellenstapel anzugeben.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und hinsichtlich der Brennstoffzelle oder dem Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Begriff Brennstoffzellenstapel im Sinne der vorliegenden Offenbarung bezieht sich in der allgemeinen Form auf einen Stapel mehrerer Bauteil mit Gaskanalstruktur und wird sowohl für einen entsprechenden Stapel für eine Brennstoffzelle zur Gewinnung elektrischer Energie sowie für einen Stapel für einen Elektrolyseur verwendet, bei welchem ein Ausgangsprodukt, z.B. Wasser in Bestandteile z.B. H₂ und O₂ aufgespaltet wird.
Als Elektrolyteinheit im Sinne der vorliegenden Offenbarung können grundsätzlich alle Arten von Elektrolyteinheiten bzw. Elektrolyten eingesetzt werden. Die Elektrolyteinheit hat dabei in erster Linie die Funktion, dass diese durchlässig für die entsprechenden Ionen ist, bevorzugt jedoch nicht für die reaktiven Gase als solches, wie im Falle einer Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzelle nicht für Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. In der Literatur werden Elektrolyteinheiten – je nach Machart – auch als Elektrolytmembran, als Membran oder auch nur als Elektrolyt bezeichnet. Bei einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle wird beispielsweise eine sogenannte Protonenaustauschmembran als Bestandteil der Elektrolyteinheit verwendet. Die Elektrolyteinheit kann zudem eine sogenannte Gasdifusionsschicht zur Erhöhung des Wirkungsgrades enthalten, die Elektroden (Kathode, Anode), wobei die Elektrodenfunktion auch von dem ersten und zweiten Bauteil, d.h. insbesondere den Bipolarplatten übernommen werden kann. Darüber hinaus umfasst die Elektrolyteinheit bevorzugt eine semipermeable Membran, welche durchlässig für die entsprechenden Ionen ist. Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die Elektrolyteinheit, selbst wenn diese aus mehreren Bauteilen besteht, einteilig ist bzw. gestapelt werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, einzelne Bauteile der Elektrolyteinheit erst beim Stapeln zusammenzusetzen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Bauteile, insbesondere Bipolarplatten, nicht wie im Stand der Technik durch spanende Bearbeitung oder alternativ beispielsweise im Spritzgussverfahren herzustellen, sondern zumindest die Gaskanalstrukturen zweier in einem Brennstoffzellenstapel über eine Elektrolyteinheit beabstandeter Bauteile in einem generativen Verfahren zu erzeugen und die so bearbeiteten bzw. hergestellten Bauteile unter Dazwischenanordnung einer Elektrolyteinheit aneinander zu fixieren, ganz besonders bevorzugt durch Schweißen, beispielsweise Laserschweißen und/oder durch Löten und/oder mittels eines generativen Verfahrens durch entsprechenden Materialauftrag, wobei es ganz besonders bevorzugt ist, wenn die beiden Bauteile unmittelbar miteinander materialschlüssig verbunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen automatisierten Aufbau bzw. eine automatisierte Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere in einer entsprechenden Anlage zur Durchführung eines generativen Verfahrens, ganz besonders bevorzugt umfassend mindestens zwei Bearbeitungspositionen, wobei in einer ersten Bearbeitungs- bzw. Fertigungsposition Bauteile, insbesondere Gleichteile, vorbereitet und in der weiteren Fertigungsposition gestapelt und bevorzugt miteinander verbunden werden können. Ganz besonders bevorzugt ist es zum Herstellen der Gaskanalstrukturen und der, insbesondere fluiddichten Verbindung der beiden Bauteile jeweils dasselbe generative Verfahren anzuwenden. Ein weiterer wesentlicher Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass auf eine Elastomerdichtung zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen verzichtet werden kann, da diese nicht wie im Stand der Technik gegeneinander lösbar verspannt, sondern dauerhaft fest und nicht zerstörungsfrei trennbar miteinander verbunden werden können. Anders ausgedrückt werden die Bauteile dauerhaft fest zu einem einzigen Bauteil vereinigt, so dass auf Verspannmittel und hierfür notwendige Durchgangsöffnungen in den Bauteilen verzichtet werden kann.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Bauteil um jeweils eine Bipolarplatte, umfassend neben einer Gaskanalstruktur eine davon abgewandte Kühlkanalstruktur.
Wesentlich ist, dass das jeweilige Bauteil beim miteinander Verbinden noch nicht vollständig fertig sein muss, jedoch sein kann. Es ist auch denkbar und bevorzugt eines der Bauteile erst nach dem Festlegen an dem anderen Bauteil, beispielsweise durch Aufbringen einer Kühlmittelkanalstruktur fertigzustellen.
Bevorzugt umfasst der Brennstoffzellenstapel nicht nur das erste und das zweite Bauteil mit dazwischen liegender Elektrolyteinheit, sondern eine Vielzahl von derartigen Bauteilpaarungen, anders ausgedrückt umfasst der Brennstoffzellenstapel bevorzugt eine Vielzahl von gestapelten Bauteilen, wobei jeweils zumindest die die Elektrolyteinheit zwischen sich aufnehmenden Bauteilpaarungen, insbesondere durch Schweißen oder mittels eines generativen Verfahrens fest und untrennbar miteinander verbunden sind.
Bei dem Oberbegriff eines generativen Verfahrens (Fertigungsverfahren) gemäß der Erfindung handelt es sich um eine umfassende Bezeichnung, d.h. einen Oberbegriff für die bisher häufig als Rapid Prototyping bezeichneten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Die Fertigung mittels eines generativen Verfahrens erfolgt direkt, insbesondere schichtweise, auf Basis eines rechnerbasierten Datenmodells aus formlosen Flüssigkeiten und/oder Pulvern oder formneutralen Materialien, wie Bändern oder Drähten mittels physikalischer und/oder chemischer Prozesse. Es handelt sich um ein urformendes Verfahren, welches ohne Formen für eine Negativabformung auskommt. Ganz besonders bevorzugt werden zur Fertigung der erwähnten Gaskanalstrukturen und/oder später noch zu erläuternder Kühlmittelkanalstrukturen und/oder zum Verbinden der Bauteile miteinander metallische Pulver eingesetzt, die ggf. gemischt sein können mit anderen Pulvern zur Herstellung entsprechender Eigenschaften.
Auch ist es möglich, Kunststoffpulver oder flüssige Kunststoffe einzusetzen, wobei auch diesen Materialien andere Materialien zur Eigenschaftseinstellung, beispielsweise Graphitpulver zugesetzt werden können, beispielsweise um die Leitfähigkeit zu verbessern. Insgesamt sollten die Gaskanalstrukturen so hergestellt werden bzw. sollte ein derartiges Material gewählt werden, beispielsweise Metallpulver oder elektrisch leitendes Kunststoffpulver oder herkömmliches Kunststoffpulver kombiniert mit leitenden Materialien, wie Metallen, z.B. Edelstähle und/oder Graphit, um somit eine elektrisch leitfähige Kanalstruktur zu erzeugen. Besonders bevorzugt wird ein generatives Verfahren der selektiven Pulververfestigung eingesetzt, beispielsweise 3D-Druck, Direktmetalllasersintern (DMLS), selektives Laserschmelzen (SLM), Lasercusing, Elektronenstrahlsintern (EBS) oder Wasserdampfstrahlsintern. Ganz besonders bevorzugt findet bei dem zur Anwendung kommenden generativen Verfahren ein schichtweiser Aufbau der entsprechenden Strukturen statt.
Wie bereits angedeutet ist es besonders bevorzugt, wenn das, insbesondere materialschlüssige, Verbinden des ersten und des zweiten Bauteils unter Druckbeaufschlagung erfolgt, also derart, dass die Bauteile unter einer Vorspannungsbeaufschlagung fest miteinander verbunden werden. Bevorzugt erfolgt das Verbinden, wie erwähnt, durch Schweißen, wobei hierzu bevorzugt Material des ersten und zweiten Bauteils aufgeschmolzen wird und sich materialschlüssig verbindet. Auch ist es möglich die Verbindung mittels eines generativen Verfahrens herzustellen, indem eine entsprechende Verbindungsgeometrie, insbesondere eine, die Bauteile verbindende, Verbindungsnaht aufgetragen und/oder nach dem Stapeln fertiggestellt wird.
Ganz besonders bevorzugt werden das erste und das zweite Bauteil so miteinander verbunden, dass diese gegeneinander elektrisch isoliert sind, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass eine insbesondere im generativen Verfahren aufgebrachte Verbindungsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Kunststoff erzeugt wird und/oder indem zwischen das Bauteil ein Isolator angeordnet wird, mit welchem die Bauteile, bevorzugt ohne unmittelbaren Kontakt verbunden werden, bevorzugt im generativen Verfahren.
Grundsätzlich ist es möglich, die Bauteile vollständig mittels eines generativen Verfahrens herzustellen, wobei es weiter denkbar ist, dass die notwendigen Strukturen zunächst auf einem Träger erzeugt und der Träger vor dem Verbinden der Bauteile oder danach wieder entfernt wird. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsvariante, bei der das erste und/oder zweite Bauteil jeweils ein vorgefertigtes Trägersubstrat dauerhaft umfassen, auf welchem die notwendigen Strukturen dann mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere schichtweise aufgebaut werden. Bei dem Trägersubstrat handelt es sich bevorzugt um ein Trägersubstrat aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere aus Metall. Zum Schützen des Trägersubstrates vor chemischen und/oder physikalischen Einwirkungen des die Gaskanalstruktur durchströmenden Gases ist es vorteilhaft, zumindest die Bereiche des Trägersubstrates die nicht unmittelbar von der Gaskanalstruktur bedeckt sind mittels einer Korrosionsschutzschicht zu schützten. Dabei ist es grundsätzlich möglich beispielsweise entsprechend lackierte Trägersubstrate einzusetzen. Besonders bevorzugt ist es, insbesondere anstelle eines Korrosionsschutzlackes eine Korrosionsschutzschicht im generativen Verfahren aufzubauen, insbesondere indem zumindest die der Gaskanalstruktur zugewandte Flächenseite des Trägersubstrates mit einer flächigen Korrosionsschutzschicht versehen wird, auf die dann die Gaskanalstruktur, insbesondere mit demselben generativen Verfahren, noch weiter bevorzugt schichtweise aufgetragen wird.
Im Hinblick auf die geometrische Ausgestaltung des Trägersubstrates gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es denkbar ein beispielsweise als Metallblech ausgebildetes, ebenes, d.h. flächiges bzw. nicht dreidimensional verformtes Metallblech einzusetzen oder alternativ ein, insbesondere durch einen Prägevorgang, dreidimensional verformtes Trägersubstrat, wobei es im Fall des Einsatzes eines dreidimensional verformten Trägersubstrates bevorzugt ist, wenn durch die Verformungsstruktur die Gaskanalstruktur und/oder eine Kühlmittelkanalstruktur, die dann mittels eines generativen Verfahrens weiter aufgebaut wird, vorgegeben ist. Ggf. kann die Vorformung auch so ausgestaltet werden, dass von dieser die Kühlmittelkanalstruktur vollständig gebildet wird.
Wie bereits erwähnt ist es besonders bevorzugt, wenn das erste und/oder das zweite Bauteil als Bipolarplatte mit integraler Gaskanalstruktur sowie zusätzlich integraler Kühlmittelkanalstruktur ausgebildet sind/ist, wobei besonders zweckmäßig beide Strukturen, d.h. sowohl die Gaskanalstruktur als auch die Kühlmittelkanalstruktur mittels eines, insbesondere mittels desselben generativen Verfahrens hergestellt werden. Grundsätzlich ist es dabei möglich zunächst die Bauteile jeweils vollständig fertigzustellen und dann unter Zwischenanordnung der Elektrolyteinheit aneinander zu fixieren. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn ein Bauteil, insbesondere das jeweils obere Bauteil auf dem Stapel mittels des generativen Verfahrens fertiggestellt wird.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst in der Regel sich in der Stapelrichtung erstreckende Kanäle zur Durchleitung der Gase oder Reaktionsprodukte. Zur Kanalbildung umfassen das erste und/oder das zweite Bauteil jeweils mindestens eine sich senkrecht zur Flächenerstreckung erstreckende Durchgangsöffnung, wobei bevorzugt zwei benachbarte Durchgangsöffnungen in der Stapelrichtung fluchten. Zum Schutz vor Korrosionen, insbesondere für den bevorzugten Fall des Vorsehens eines Trägersubstrates in dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil ist es bevorzugt, am Innenumfang der jeweiligen Durchgangsöffnung eine Korrosionsschutzbeschichtung vorzusehen, die noch weiter bevorzugt mittels eines generativen Verfahrens hergestellt wird, insbesondere im Vorfeld oder gemeinsam mit dem Herstellen mindestens einer Gaskanal- und/oder Kühlmittelkanalstruktur. Für den Fall des Vorsehens mindestens eines Trägersubstrates ist es bevorzugt, wenn dessen sich senkrecht zur Flächenerstreckung erstreckende Schmal- bzw. Hochkante innerhalb der Durchgangsöffnung mit vorgenannter Korrosionsschicht versehen ist bzw. wird.
Wie bereits angedeutet ist es besonders zweckmäßig, im Wege des generativen Verfahrens durch Energieeinbringung zu versinterndes Pulver, insbesondere umfassend Metallpulver, zur Herstellung der ersten und/oder zweiten Gaskanalstruktur und/oder der ersten und/oder zweiten Kühlmittelkanalstruktur einzusetzen, wobei es sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, vor dem Verbinden zweier benachbarter Bauteile, d.h. vor dem Verschließen entsprechender Kanalstrukturen überschüssiges, d.h. nicht versintertes Pulver abzusaugen.
Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung des Fertigungsprozesses ist es von Vorteil, wenn das erste und das zweite Bauteil eine voneinander unterschiedliche axiale Projektionsfläche in Stapelrichtung aufweisen, um somit das Aneinanderfestlegen, insbesondere mittels eines bzw. des generativen Verfahrens zu erleichtern, da auf diese Weise auf dem jeweils unteren Bauteil eine vergleichsweise breite Basis für den im generativen Verfahren herzustellenden Befestigungsabschnitt geschaffen werden kann. Für den bevorzugten Fall des Vorsehens einer Vielzahl, d.h. von mehr als zwei Bauteilen in der Stapelrichtung ist es bevorzugt, wenn die Projektionsfläche der in Stapelrichtung gestapelten Bauteile in der Projektionsrichtung von Bauteil zu Bauteil abnimmt.
Alternativ ist es denkbar, dass die Kanäle für die Gase oder die Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser oder die Kühlflüssigkeit im Nachhinein, d.h. im fertigen Stapel, z.B. durch Lasern oder Bohren erzeugt werden, insbesondere im Bereich, die im generativen Verfahren hergestellt werden, um somit unmittelbar Korrosionsschutz an etwaige Trägerschichten zu erhalten. Bevorzugt enthalten, falls vorhanden, entsprechende Trägersubstrate bereits entsprechende Öffnungen, die im generativen verfahren gefüllt und später für die Kanäle geöffnet werden.
Im Hinblick auf die konkreten Schrittfolgen bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So ist es grundsätzlich möglich, dass das zweite, auf das erste Bauteil unter Zwischenanordnung der Elektrolyteinheit zu stapelnde Bauteil vollständig fertiggestellt ist, bevor die Bauteile gestapelt werden, wobei hierzu bevorzugt sowohl die Gaskanalstruktur als auch eine Kühlmittelkanalstruktur im generativen Verfahren, insbesondere in einer ersten Fertigungsposition, bevorzugt auf einem ersten Fertigungstisch, insbesondere durch ein Umdrehen des Bauteils nach der Fertigstellung einer der beiden Strukturen fertiggestellt und dann die gestapelten Bauteile nur noch, insbesondere in einer zweiten Fertigungsposition, miteinander verbunden werden müssen. Alternativ ist es denkbar, bei dem zweiten Bauteil, insbesondere in einer ersten Fertigungsposition mittels des generativen Verfahrens zunächst die Gaskanalstruktur vorzusehen und während und/oder nach dem Stapel, insbesondere in einer zweiten Fertigungsposition, insbesondere auf einem zweiten Tisch, insbesondere Hubtisch die Kühlmittelkanalstruktur fertigzustellen.
Unabhängig davon, ob die Kühlmittelkanalstruktur vorher oder erst auf dem Stapel fertiggestellt wird, ist es denkbar, mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere in der zweiten Fertigungsposition auf die Kühlmittelkanalstruktur eine Trennschicht, insbesondere im generativen Verfahren aufzubringen, auf die dann, insbesondere in der zweiten Bearbeitungsposition im generativen Verfahren eine Gaskanalstruktur aufgebracht wird und somit der Stapel, umfassend das erste und das zweite Bauteil mit einem weiteren, eine im generativen Verfahren hergestellte Gaskanalstruktur gepaart werden kann, unter Zwischenanordnung einer Elektrolyteinheit, wobei das neu aufgelegte Bauteil mit dem vorhandenen Stapel, insbesondere durch Schweißen, Löten oder im generativen Verfahren, ganz besonders bevorzugt materialschlüssig verbunden werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Herstellen eines Teils der Kühlmittelkanalstruktur auf dem Stapel ist es denkbar, ein, insbesondere in einer ersten Fertigungsposition gefertigtes, Bauteil aufzubringen, welches bereits eine, insbesondere im generativen Verfahren hergestellte Kühlmittelkanalstruktur trägt, die noch weiter bevorzugt auf einem Trägersubstrat vorgesehen ist. Auf diese Weise kann dann, insbesondere in der zweiten Fertigungsposition nach dem Stapeln des Bauteils auf dieses eine weitere Gaskanalstruktur aufgebracht werden, noch weiter bevorzugt auf eine Korrosionsschutzschicht, die ganz besonders bevorzugt ebenfalls im generativen Verfahren, insbesondere in der zweiten Fertigungsposition aufgebracht wurde. Auf diesen Stapel kann wiederum eine Elektrolyteinheit aufgebracht werden und auf diese ein weiteres Bauteil, welches bereits mit einer Gaskanalstruktur versehen ist, die bevorzugt im generativen Verfahren erzeugt wurde, insbesondere auf einer Korrosionsschutzschicht, die ein bevorzugt vorgesehenes Trägersubstrat schützt.
Unabhängig von der Wahl der konkreten Vorgehensweise umfasst ein Stapel bevorzugt eine Vielzahl von Bauelementpaarungen, die gebildet wurden bzw. werden durch Stapeln zweier Bauteile mit jeweils einer im generativen Verfahren hergestellten Gaskanalstruktur unter Zwischenanordnung einer Elektrolyteinheit, wobei eines der Bauteile bevorzugt bei jedem Stapelvorgang gebildet wird von dem bis dahin hergestellten Stapel und das weitere, zweite Bauteil von einem neu hinzukommenden, insbesondere oberen Bauteil, umfassend bereits vor dem Stapeln einer Gaskanalstruktur.
Die Erfindung führt auch auf einen Brennstoffzellenstapel für eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, der bevorzugt nach einem zuvor beschriebenen, nach dem Konzept der Erfindung gestalteten Verfahren hergestellt wurde. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zumindest eine Paarung auf einem ersten und einem zweiten Bauteil, jeweils aufweisend eine im generativen Verfahren hergestellte Gaskanalstruktur, wobei die Gaskanalstrukturen einander zugewandt und über eine Elektrolyteinheit voneinander beabstandet sind, wobei das erste und das zweite Bauteil fest miteinander verbunden sind, bevorzugt ohne Zwischenanordnung einer Elastomerringdichtung und bevorzugt ohne das Vorsehen von äußeren Spannmitteln, wie sie im Stand der Technik notwendig sind, bei Bauteilen, die nicht aneinander fixiert sind, sondern von außen ledig aneinandergepresst werden.
Ganz besonders bevorzugt enthält der Brennstoffzellenstapel zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Bauteil weitere Bauteilpaarungen mit jeweils einer Gaskanalstruktur und einer dazwischen angeordneten Elektrolyteinheit, die dann in geeigneter Weise elektrisch verschaltet sind.
Die Erfindung führt auch auf eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur, umfassend einen wie zuvor ausgebildeten Brennstoffzellenstapel, wobei die Brennstoffzelle bevorzugt zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in den
1 bis 10d eine erste alternative Ausführungsform eines Fertigungsverfahrens,
11 bis 15 (in Zusammenschau mit den 1 bis 8) ein alternatives Fertigungsverfahren,
16 einen (vergrößerten) Ausschnitt aus einem Brennstoffzellenstapel zur Visualisierung der Verbindung der Bauteile,
17 ein erstes Bauteil, und
18 ein zweites Bauteil.
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In den 1 bis 15 sind unterschiedliche Prozessschritte von Fertigungsverfahren gezeigt, wobei jeweils in den Darstellungen links eine erste Fertigungsposition, insbesondere auf einem Tisch, ganz besonders bevorzugt einem Hubtisch gezeigt ist und in der Zeichnung rechts jeweils eine zweite Fertigungsposition, insbesondere auf einem Tisch, ganz besonders bevorzugt auf einem Hubtisch einer entsprechenden Vorrichtung zur Durchführung von generativen Verfahren.
In 1 ist ein erster Schritt zur Herstellung eines ersten Bauteils gezeigt, wobei bei diesem Schritt auf eine erste Fertigungsposition ein erstes Trägersubstrat 1 positioniert wird, wobei in dem Trägersubstrat 1 bereits eine erste Durchgangsöffnung 2 für Gas vorgesehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein ebenes Trägersubstrat, welches alternativ dreidimensional strukturiert sein kann. Das Trägersubstrat 1 besteht bevorzugt aus einem leitfähigen Material, insbesondere aus Metall, oder leitfähigem Kunststoff z.B. durch Graphitzusatz.
In 2 ist ein zweiter Verfahrensschritt in der ersten Fertigungsposition gezeigt. Zu erkennen ist, dass auf das Trägersubstrat 1 im generativen Verfahren, insbesondere schichtweise, bevorzugt durch Versintern von entsprechendem Pulver bzw. einer Pulvermischung eine erste Kühlmittelkanalstruktur 3 aufgetragen wird.
In 3 ist nun das Ergebnis weiterer Fertigungsschritte in einer zweiten Fertigungsposition gezeigt. Dargestellt ist in 3 ein fertiges erstes Bauteil 4 in Form einer Bipolarplatte. Ausgehend von dem in 2 gezeigten Schritt muss das Trägersubstrat 1 mit seiner ersten Kühlmittelkanalstruktur 3 um 180° gedreht und in die Fertigungsposition überführt werden. Sodann wurde mittels desselben generativen Verfahrens eine Korrosionsschutzschicht 5 auf der von der ersten Kühlmittelkanalstruktur 3 abgewandten Seite des ersten Trägersubstrates 1 aufgebracht. Auf die Korrosionsschutzschicht 5 wurde sodann mit denselben generativen Verfahren eine erste Gaskanalstruktur 6, bevorzugt schichtweise aufgetragen und es wurde überschüssiges Pulver abgesaugt. Das Pulver bzw. die Pulvermischung zur Herstellung der Korrosionsschutzschicht 5 und oder der ersten Gaskanalstruktur 6 zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion aus.
Bei dem in 6 gezeigten Schritt wurde auf die erste Gaskanalstruktur 6 eine Elektrolyteinheit 7 aufgelegt.
Bevorzugt gleichzeitig zu den Schritten gemäß den 3 und 4 wurde in der ersten Fertigungsposition, wie sich aus 5a ergibt, ein zweites Bauteil 8 erzeugt, umfassend in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweites Trägersubstrat 9 eine darauf im generativen Verfahren erzeugte Korrosionsschutzschicht 10 sowie eine darauf im generativen Verfahren erzeugte zweite Gaskanalstruktur 11. Das zweite Bauteil 8 umfasst eine zweite Durchgangsöffnung 12 für Gas. In 5b ist in der zweiten Fertigungsposition nochmals das erste Bauteil 4 mit nach oben ausgerichteter erster Gaskanalstruktur 6 und darauf angeordneter Elektrolyteinheit 7 gezeigt.
In 6 ist nun bereits das zweite Bauteil 8 um 180° gewendet und auf die Elektrolyteinheit 7 aufgelegt worden, d.h. es wurde ein Stapel aus zweitem Bauteil 8 und erstem Bauteil 4 gezeigt, wobei das zweite Bauteil 8 oberhalb des ersten Bauteils 4 angeordnet ist und die beiden Gaskanalstrukturen einander zugewandt sind. Zu erkennen ist, dass Durchgangsöffnungen 12, 2 fluchten.
An dieser Stelle ist es wesentlich zu bemerken, dass die Bauteile 4, 5 nur ausschnittsweise dargestellt sind und bevorzugt weitere Durchgangsöffnungen beinhalten.
In 7 ist nun zu erkennen, dass ein Anpressdruck 13, symbolisiert durch einen Pfeil auf den Stapel aufgebracht wird, um somit die Bauteile 4, 8 gegeneinander zu verspannen. Während des Aufbringens des Anpressdrucks werden die Bauteile 4, 8 mittels eines generativen Verfahrens fest miteinander verbunden, wobei hierzu eine Art Verbindungsnaht oder Verbindungswand 14 im generativen Verfahren, insbesondere schichtweise aufgebaut wird, hier beispielhaft ausgehend von dem unteren ersten Bauteil 4 hin zum zweiten Bauteil 8. Gut zu erkennen ist in 7, dass die Flächenerstreckung einer axialen Projektionsfläche des ersten Bauteils größer ist als diejenige des zweiten Bauteils 8, wodurch eine breite Basis der Verbindungswand 14 geschaffen werden kann. Zu erkennen ist ferner, dass durch eine entsprechende Ausbildung von Verbindungswänden ein Kanalabschnitt 15 für Gas geschaffen wurde. Es ist auch denkbar, dass die Verbindungswand 14 bei dem Schritt gemäß 7 nicht vollständig erzeugt wurde, sondern Verbindungswandabschnitte bereits vorher erzeugt und in dem Schritt gemäß 7 nur noch, beispielsweise durch Verschweißen verbunden werden.
In 7 ist weiter gut zu erkennen, dass auf eine Elastomerdichtung zur Abdichtung der von Gas durchströmten Bereiche verzichtet wurde.
In 8 ist nun ein nächster Fertigungsschritt gezeigt, bei welchem das zweite Bauteil nach dem Verbindungsschritt eine zweite Kühlkanalstruktur 16 im generativen Verfahren in der zweiten Fertigungsposition erhält.
In 9 ist nun eine weitere Vorgehensweisemöglichkeit dargestellt. Und zwar wird hiernach in der zweiten Fertigungsposition die zweite Kühlkanalstruktur 16 erweitert bzw. eine weitere Kühlkanalstruktur eines benachbarten Bauteils unmittelbar auf der zweiten Kühlkanalstruktur 16 erzeugt. Daraufhin wird eine Trennschicht 17 im generativen Verfahren erzeugt, auf welcher dann, immer noch auf dem Stapel, umfassend die Bauteile 4 und 8 eine weitere Gaskanalstruktur 18 erzeugt wird. Je nach Definition der Bauteile kann nun die in 9 gezeigte Stapelanordnung als ein erstes Bauteil bezeichnet werden, wobei dann die Gaskanalstruktur 18 die erste Gaskanalstruktur ist. Zwischenzeitlich wurde in der ersten Fertigungsposition (oder einer anderen Fertigungsposition) ein weiteres Bauteil 19 erzeugt, welches je nach Definition wiederum als ein zweites Bauteil bezeichnet werden kann, umfassend eine bevorzugt vorgesehene Korrosionsschutzschicht 20 sowie eine zugehörige Gaskanalstruktur 21, welche dann wiederum die zweite Gaskanalstruktur des zweiten Bauteils ist. Das in 10a gezeigte weitere Bauteil 19 wird nun auf den Stapel gemäß 9 in der zweiten Fertigungsposition (oder einer anderen Fertigungsposition) aufgebracht unter Dazwischenanordnung einer weiteren Elektrolyteinheit 22 und das Bauteil 19 wird mit dem bereits erstellten Stapel unter Druckbeaufschlagung analog zu den 7 und 8 fest verbunden.
Eine alternative Verfahrensweise wird nun anhand der 11 bis 15 erläutert, wobei bevorzugt zunächst die Prozessschritte gemäß den 1 bis 8 gleich bleiben.
In 11 ist gezeigt, dass in einer ersten Fertigungsposition (oder einer alternativen Fertigungsposition) ein weiteres Bauteil 23, umfassend ein Trägersubstrat 24 sowie eine im generativen Verfahren darauf aufgebrachte Kühlmittelkanalstruktur 25 geschaffen wurde. Dieses wird dann in der zweiten Fertigungsposition (oder einer alternativen Fertigungsposition) gemäß 12 auf den bereits vorhandenen Teilestapel aufgebracht und das weitere Bauteil 23 wird, insbesondere durch Aufbringen eines Druckes durch Verschweißen und/oder einem generativen Verfahren mit dem bereits vorhandenen Stapel, umfassend das erste und das zweite Bauteil 4, 8 verbunden (nicht dargestellt). Auf das Trägersubstrat 24 kann dann, wie in 13 gezeigt, nun eine Korrosionsschutzschicht 26 sowie eine zugehörige Gaskanalstruktur 27 im generativen Verfahren, insbesondere in der Fertigungsposition 2 aufgebracht werden. Je nach Definition kann der in 13 gezeigte Stapel nun als erstes Bauteil bezeichnet werden, auf den dann ein zweites Bauteil aus 15 unter der Zwischenanordnung einer Elektrolyteinheit aufgelegt wird. Alternativ kann die Kombination aus Trägersubstrat 24 und Gaskanalstruktur 27 als ein weiteres erstes Bauteil bezeichnet werden, welches zusätzlich zu dem in der Zeichnung untersten Bauteil 4 vorgesehen ist. Unabhängig davon wird jedenfalls auf die Gaskanalstruktur 27 (also eine erste Gaskanalstruktur) eine Elektrolyteinheit 28 aufgelegt und ein bevorzugt zwischenzeitlich in der ersten Fertigungsposition oder einer alternativen Fertigungsposition gefertigtes weiteres Bauteil 29, welches auch als zweites Bauteil bezeichnet werden kann aufgelegt und unter Aufbringung eines Anpressdrucks mit dem bereits vorhandenen Stapel, beispielsweise das Verschweißen oder in dem generativen Verfahren verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Bauteil 29 ein fakultatives Trägersubstrat 30, eine darauf vorgesehene Korrosionsschutzschicht 31 sowie eine darauf vorgesehene Gaskanalstruktur 32, insbesondere eine zweite Gaskanalstruktur.
In 16 ist ein Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels 33 gezeigt. Zu erkennen ist in der Zeichnungsebene links ein erstes Bauteil 4 mit einem ersten Trägersubstrat 1, auf welchem in der Stapelrichtung in der Zeichnung rechts eine Korrosionsschutzschicht 5 vorgesehen ist, auf welcher wiederum eine erste Gaskanalstruktur 6 vorgesehen ist, die an eine Elektrolyteinheit 7 angrenzt.
Auf der anderen Seite der Elektrolyteinheit 7 ist ein zweites Bauteil 8 vorgesehen, umfassend ein zweites Trägersubstrat 9, welches in der Zeichnung links, der Elektrolyteinheit 7 zugewandt eine Korrosionsschutzschicht 10 aufweist, auf welcher eine zweite Gaskanalstruktur 11 vorgesehen ist, die an die Elektrolyteinheit 7 angrenzt. Zu erkennen ist, dass ein Kanalabschnitt 15, der abschnittsweise von den Durchgangsöffnungen 2, 12 gebildet ist am Innenumfang mit einer sich in der Stapelrichtung erstreckenden Korrosionsschutzschicht 34 versehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Kanalabschnitt 15 in den bzw. die Gaskanäle, die von der ersten Gaskanalstruktur 6 sowie der Elektrolyteinheit 7 begrenzt sind.
Das erste Bauteil 4 und das zweite Bauteil 8 sind in einem Bereich außerhalb der dargestellten Kanaleinmündung durch Versintern miteinander verbunden. Zu erkennen ist dies in der Zeichnung oben, wo eine Wandung 36 des zweiten Bauteils 8, die erzeugt wurde in einem generativen Verfahren mit dem ersten Bauteil 4 versintert ist, und zwar durch Sinterverbindungsabschnitte 37, 38 oder alternativ Schweißnähte, bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Kunststoff. Zu erkennen ist auch, dass Gaskanäle 39 des zweiten Bauteils, die begrenzt sind von der zweiten Gaskanalstruktur 11 und der Elektrolyteinheit 7 über eine im generativen Verfahren aufgebrachte Wand 40 von dem Kanalabschnitt 15 getrennt sind, um einen direkten Gaskontakt der unterschiedlichen, auf beiden Seiten der Elektrolyteinheit 7 vorgesehenen Gase zu verhindern. Es besteht an nicht gezeigter Stelle eine Verbindung zu einem entsprechenden anderen Gaskanal.
Zu erkennen ist weiter, dass in der Zeichnung rechts an das zweite Trägersubstrat 9 eine zweite Kühlmittelkanalstruktur 16 angrenzt, an die wiederum ein weiteres Trägersubstrat 41 angrenzt, oder alternativ direkt eine im generativen Verfahren aufgebrachte Trennschicht, wobei Trennschicht oder Trägersubstrat 41, ggf. unter Zwischenanordnung einer Korrosionsschutzschicht dann eine Gaskanalstruktur weiterer Bauteilspaarungen tragen.
In 17 ist das erste Bauteil 4 in einer Draufsicht gezeigt und in der 18 das zweite Bauteil 8. Zu erkennen ist, dass in jedem Bauteil mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, wobei in 17 symbolisch durch einen Pfeil oben links ein Gaseintritt, insbesondere ein Wasserstoffeintritt und unten rechts ein Restgasaustritt gezeigt ist. In 18 unten links ist in einem Durchgangskanal ein Sauerstoffeintritt und in der Zeichnung oben rechts ein Wasseraustritt dargestellt. Die Schnittdarstellungen in den Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt der Bauteile, umfassend eine der Öffnungen.
Bezugszeichenliste

1: erstes Trägersubstrat
2: erste Durchgangsöffnung
3: erste Kühlmittelkanalstruktur
4: erstes Bauteil
5: Korrosionsschutzschicht
6: erste Gaskanalstruktur
7: Elektrolyteinheit
8: zweites Bauteil
9: zweites Trägersubstrat
10: Korrosionsschutzschicht
11: zweite Gaskanalstruktur
12: zweite Durchgangsöffnung
13: Anpressdruck
14: Verbindungswand
15: Kanalabschnitt
16: zweite Kühlkanalstruktur
17: Trägersubstrat
18: Gaskanalstruktur
19: weiteres Bauteil
20: Korrosionsschutzschicht
21: Gaskanalstruktur
22: Elektrolyteinheit
23: weiteres Bauteil
24: Trägersubstrat
25: Kühlmittelkanalstruktur
26: Korrosionsschutzschicht
27: Gaskanalstruktur
28: Elektrolyteinheit
29: weiteres Bauteil
30: Trägerstruktur
31: Korrosionsschutzschicht
32: Gaskanalstruktur
33: Brennstoffzellenstapel
34: Korrosionsschutzschicht
35: Gaskanäle/Gaskanal
36: Wandung
37: Sinterverbindungsabschnitt
38: Sinterverbindungsabschnitt
39: Gaskanal
40: Wand
41: Trägersubstrat

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, umfassend die Schritte: – Herstellen eines ersten Bauteils (4), umfassend eine erste Gaskanalstruktur (6); – Herstellen eines zweiten Bauteils (8), umfassend eine zweite Gaskanalstruktur (11); – Stapeln des ersten und des zweiten Bauteils (4, 8) mit einander zugewandten Gaskanalstrukturen (6, 11) unter Zwischenanordnung einer die Gaskanalstrukturen (6, 11) trennenden Elektrolyteinheit (7); dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Gaskanalstruktur (6, 11) mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere mittels Laser-, Elektronenstrahl- oder Wasserdampfstrahlsintern, hergestellt werden und dass das erste und das zweite Bauteil (4, 8), bevorzugt materialschlüssig und/oder durch Schweißen und/oder Löten und/oder mittels eines generativen Verfahrens, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des ersten und des zweiten Bauteils (4, 8) unter Vorspannungsbeaufschlagung der Bauteile (4, 8) zueinander durchgeführt wird.
Verfahren nach einer der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Miteinanderverbinden mit einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, bevorzugt Polyamid und/oder Polypropylen, durchgeführt wird, um das erste und das zweite Bauteil elektrisch gegeneinander zu isolieren und/oder dass das erste und das zweite Bauteil unter Dazwischenanordnung eines elektrischen Isolators mittelbar miteinander verbunden werden, indem die Bauteile unmittelbar, insbesondere mit einem generativen Verfahren mit dem Isolator verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (4) eine ein erstes Trägersubstrat (1) für die erste Gaskanalstruktur (6) umfasst auf welchem die erste Gaskanalstruktur (6) hergestellt wird und dass zumindest die nicht von der Gaskanalstruktur (6. 11) bedeckten Bereiche, mittels einer, bevorzugt mittels eines generativen Verfahren aufgebrachten Korrosionsschutzschicht (10) geschützt werden, insbesondere durch das Vorsehen einer durchgehenden Korrosionsschutzschicht (10) auf welcher dann die Gaskanalstruktur (6, 11) hergestellt wird und/oder dass das zweite Bauteil (8) eine ein zweites Trägersubstrat (9) für die zweite Gaskanalstruktur (11) umfasst auf welchem die erste Gaskanalstruktur (6) hergestellt wird und dass zumindest die nicht von der Gaskanalstruktur (6) bedeckten Bereiche, mittels einer, bevorzugt mittels eines generativen Verfahren aufgebrachten Korrosionsschutzschicht (10) geschützt werden, insbesondere durch das Vorsehen einer durchgehenden Korrosionsschutzschicht (10), auf welcher dann die Gaskanalstruktur (6, 11) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Trägersubstrat (1, 9), insbesondere ein Metallblech, mit strukturiert ist, insbesondere durch Prägen, oder dass das Trägersubstrat (1, 9) als ebene Platte ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Bauteil (4) vor oder nach dem Verbinden mit dem zweiten Bauteil (8) auf der der ersten Gaskanalstruktur (6) abgewandten Seite eine erste Kühlmittelkanalstruktur (3) mittels eines generativen Verfahren hergestellt wird und/oder dass am zweiten Bauteil (8) vor oder nach dem Verbinden mit dem ersten Bauteil (4) auf der der zweiten Gaskanalstruktur (11) abgewandten Seite eine zweite Kühlmittelkanalstruktur (16) mittels eines generativen Verfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (4) und/oder das zweite Bauteil (8) mindestens eine sich senkrecht zur Flächenerstreckung des Bauteils (4, 8) erstreckende Durchgangsöffnung (2, 12) für ein erstes Gas und/oder mindestens eine sich senkrecht zur Flächenerstreckung des Bauteils (4, 8) erstreckende Durchgangsöffnung (2, 12) für ein zweites Gas aufweist und dass die Durchgangsöffnung(en) (2, 12) im Bereich ihres Innenumfangs mit einer Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere mittels eines generativen Verfahrens versehen wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall des Einsatzes von zu versinterndem Pulver zur Herstellung der ersten und/oder zweiten Gaskanalstruktur (6, 11) und/oder der ersten und/oder zweiten Kühlmittelkanalstruktur (3, 16) nicht versintertes Pulver aus der jeweiligen Struktur, während und/oder nach dem Herstellen der Struktur, bevorzugt vor dem Verbinden der Bauteile (4, 8), abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (8) eine kleinere Projektionsfläche aufweist als das erste Trägersubstrat (1) und dass das zweite Bauteil (8) so parallel zum ersten Bauteil (4) angeordnet ist, dass das zweite Bauteil (8) das erste Bauteil (4) seitlich nicht überragt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten und/oder zweiten Bauteil (4, 8), insbesondere nach oder während des miteinander Verbindens weitere Bauteile, jeweils umfassend eine Gaskanalstruktur und/oder eine Kühlmittelkanalstruktur verbunden werden, wobei jeweils zwei benachbarte Bauteile (4, 8) unter Zwischenanordnung einer Elektrolytmembran (7) zwischen einander zugewandten Gaskanalstrukturen (6, 11), bevorzugt materialschlüssig, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach und/oder während des Verbindens des zweiten Bauteils (8) mit dem ersten Bauteil (4) auf das zweite Bauteil (8) eine zweite Kühlmittelkanalstruktur (16) mittels eines generativen Verfahrens aufgetragen wird und dass auf die Kühlmittelkanalstruktur (3, 16) eine Trennschicht, insbesondere mittels eines generativen Verfahrens, aufgebracht wird, auf welche dann mittels eines generativen Verfahrens eine Gaskanalstruktur (6, 11) aufgebracht wird, wobei bevorzugt auf die zuletzt aufgebrachte Gaskanalstruktur eine Elektrolyteinheit(7) aufgebracht wird, auf welcher bevorzugt dann ein, vorzugsweise ein Trägersubstrat (1, 9) umfassendes, Bauteil mit einer mittels in einem generativen Verfahren hergestellten Gaskanalstruktur (6, 11) aufgebracht, bevorzugt aufgelegt, und mit dem zweiten Bauteil (8), insbesondere mit der Trennschicht, materialschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Fertigungsposition Bauteile umfassend eine in einem generativen Verfahren herzustellende Kühlkanalstruktur hergestellt und in eine zweite, bevorzugt benachbarte, Fertigungsposition überführt und dort auf einem Bauteil (4, 8) angeordnet und, insbesondere in der zweiten Fertigungsposition, mittels eines generativen Verfahrens mit einer Gaskanalstruktur (6, 11) versehen wird und dann unter Zwischenanordnung einer Elektrolyteinheit (7) ein Bauteil (4, 8) umfassend eine in einem generativen Verfahren, insbesondere in der ersten Fertigungsposition hergestellte, Gaskanalstruktur (6, 11) aufgestapelt und mit Bauteil (4, 8), insbesondere materialschlüssig, verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstapel mit einer Vielzahl von jeweils, bevorzugt materialschlüssig, unter Zwischenanordnung jeweils einer Elektrolyteinheit (7) ersten und zweiten Bauteilen (4, 8), jeweils umfassend eine Gaskanalstruktur (6, 11) und bevorzugt zusätzlich eine Kühlkanalstruktur hergestellt wird.
Brennstoffzellenstapel, bevorzugt hergestellt mit einem Verfahren mit einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein erstes Bauteil (4) mit einer ersten Gaskanalstruktur (6) und ein zweites Bauteil (8) mit einer zweite Gaskanalstruktur (11), wobei die Bauteile (4, 8) unter Zwischenanordnung einer die Gaskanalstrukturen (6, 11) trennenden Elektrolyteinheit (7) gestapelt sind dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Gasstruktur mittels eines generativen Verfahrens, insbesondere mittels Laser-, Elektronenstrahl- oder Wasserdampfstrahlsintern, hergestellt sind und dass das erste und das zweite Bauteil (4, 8), bevorzugt materialschlüssig, besonders bevorzugt durch Schweißen oder mittels eines generativen Verfahrens, bevorzugt ohne Zwischenanordnung einer Elastomerringdichtung, miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Bauteil (4, 8) eine mittels eines generativen Verfahrens, bevorzugt auf einem Trägersubstrat (1, 9) hergestellte Kühlmittelkanalstruktur(3, 16) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (8) eine kleinere Projektionsfläche aufweist als das erste Trägersubstrat (1) und dass das zweite Bauteil (8) so parallel zum ersten Bauteil (4) angeordnet ist, dass das zweite Bauteil (8) das erste Bauteil (4) seitlich nicht überragt, wobei bevorzugt eine Vielzahl von Bauteilen vorgesehen sind, deren Projektionsfläche von Bauteil zu Bauteil geringer ist.
Brennstoffzelle oder Elektrolyseur mit einem Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 14 bis 16.