DE102013213398A1

DE102013213398A1 - Method for connecting a plurality of functional elements

Info

Publication number: DE102013213398A1
Application number: DE102013213398.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Maier; Andreas Zimmer
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Um ein Verfahren zur Verbindung von mehreren Funktionselementen zu einer Baugruppe, insbesondere zur Verbindung von Funktionselementen von elektrochemischen Wandlern zu einzelnen Baugruppen derselben, wobei die Funktionselemente Randbereiche aus Flachmaterial aufweisen, welche unter Bildung von Randstapeln in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelt angeordnet sind, zu schaffen, mit welchem eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung der Funktionselemente im Bereich des Randstapels möglich ist, wird vorgeschlagen, dass die Randbereiche sich bis zu in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Stirnseiten erstrecken, dass die Stirnseiten im jeweiligen Randstapel relativ zueinander derart angeordnet werden, dass diese innerhalb einer zu erzeugenden und auf einem Stirnseitenbereich der Randbereiche begrenzten Schmelzzone liegen, dass durch Beaufschlagung der Randbereiche mit energiereicher Strahlung die Schmelzzone ausgehend von den Stirnseiten der Randbereiche des jeweiligen Randstapels erzeugt wird und dass durch Erstarren der Schmelzzone eine die Funktionselemente der jeweiligen Baugruppe miteinander verbindende Verbindungszone gebildet wird.In order to provide a method for connecting a plurality of functional elements to an assembly, in particular for connecting functional elements of electrochemical transducers to individual assemblies thereof, wherein the functional elements edge regions of flat material, which are stacked stacked to form edge stacks in a stacking direction, with which a permanent and reliable connection of the functional elements in the region of the edge stack is possible, it is proposed that the edge regions extend up to successive end faces in the stacking direction, that the end faces in the respective edge stack are arranged relative to each other such that they within a to be generated and on a front side region of the edge regions limited melting zone are that by applying the edge regions with high-energy radiation, the melting zone, starting from the end faces of the edge regions of the respective edge stack is generated and that by solidification of the molten zone, the functional elements of the respective assembly interconnecting connecting zone is formed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von mehreren Funktionselementen zu einer Baugruppe, insbesondere zur Verbindung von Funktionselementen von elektrochemischen Wandlern zu einzelnen Baugruppen derselben, wobei die Funktionselemente Randbereiche aus Flachmaterial aufweisen, welche unter Bildung von Randstapeln in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelt angeordnet sind. The invention relates to a method for connecting a plurality of functional elements to an assembly, in particular for connecting functional elements of electrochemical transducers to individual assemblies thereof, wherein the functional elements edge regions of flat material, which are stacked stacked to form edge stacks in a stacking direction.

Elektrochemische Wandler sind beispielsweise Brennstoffzellen oder Elektrolyseure oder Redoxflow-Batterien.Electrochemical converters are, for example, fuel cells or electrolyzers or redox-flow batteries.

Bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wirft die Verbindungstechnik zur Verbindung der Randbereiche in den Randstapeln Probleme auf, insbesondere dann, wenn die Funktionselemente Baugruppen von Brennstoffzellen bilden, die mechanisch thermisch belastet sind. In such methods known from the prior art, the connection technique for connecting the edge regions in the edge stacks poses problems, in particular when the functional elements form assemblies of fuel cells that are mechanically thermally stressed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung von mehreren Funktionselementen zu einer Baugruppe zu schaffen, mit welchem eine dauerhafte und zuverlässige Verbindung der Funktionselemente im Bereich des Randstapels kostengünstig möglich ist. The invention is therefore based on the object to provide a method for connecting a plurality of functional elements to an assembly, with which a permanent and reliable connection of the functional elements in the region of the edge stack is inexpensive possible.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Randbereiche sich bis zu in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Stirnseiten erstrecken, dass die Stirnseiten relativ zueinander derart angeordnet werden, dass diese innerhalb einer zu erzeugenden und auf einen Stirnseitenbereich der Randbereiche begrenzten Schmelzzone liegen, dass durch Beaufschlagung der Randbereiche mit energiereicher Strahlung die Schmelzzone ausgehend von den Stirnseiten der Randbereiche des jeweiligen Randstapels erzeugt wird und dass durch Erstarren der Schmelzzone eine die Funktionselemente der jeweiligen Baugruppe miteinander verbindende Verbindungszone gebildet wird. This object is achieved in a method of the type described above according to the invention that the edge regions extend up to successive end faces in the stacking direction, that the end faces are arranged relative to each other so that they are within a limited to a generated and limited to an end face region of the edge zones melt zone lie that by applying the edge regions with high-energy radiation, the melting zone is generated starting from the end faces of the edge regions of the respective edge stack and that by solidification of the melt zone a functional elements of the respective assembly interconnecting connecting zone is formed.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch das Ausbilden der Schmelzzone und das nachfolgende Erstarren derselben zur Verbindungszone eine einfache und vor allem dauerhafte und zuverlässige Möglichkeit der Verbindung der Funktionselemente einer Baugruppe besteht. The advantage of the solution according to the invention is the fact that by forming the melting zone and the subsequent solidification of the same to the connection zone a simple and above all durable and reliable way of connecting the functional elements of a module consists.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass diese Verbindung auch prozesstechnisch einfach und innerhalb relativ kurzer Zeiträume realisierbar ist. It is particularly advantageous in this case that this connection can also be realized in terms of process technology in a simple manner and within relatively short periods of time.

Ein Randbereich im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung kann insbesondere ein an einer Außenseite der Baugruppe angeordneter Randbereich sein oder aber auch ein Randbereich der um einen in der Baugruppe vorgesehenen Durchbruch umläuft. An edge region in the sense of the solution according to the invention may, in particular, be an edge region arranged on an outer side of the assembly or else an edge region of an opening provided in the assembly.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass diese auch dann anwendbar ist, wenn die Funktionselemente, insbesondere in den Randbereichen, mit Beschichtungen versehen sind. Another advantage of the solution according to the invention is the fact that it is also applicable when the functional elements, in particular in the edge regions, are provided with coatings.

Durch das Ausbilden einer Schmelzzone in den Stirnseitenbereichen werden innerhalb der Schmelzzone derart hohe Temperaturen erreicht, dass Beschichtungen der Randbereiche entweder verbrennen oder verdampfen, wenn sie aus nichttemperaturbeständigen Materialien bestehen, oder in die Schmelze der Schmelzzone integriert werden, wenn sie aus temperaturbeständigen Materialien, wie beispielsweise Metallen bestehen. Derartige Einlagerungen von Komponenten oder Restkomponenten von Beschichtungen in die Schmelzzone stellen auch nach Erstarren der Schmelzzone in der Verbindungszone kein Problem dar, insbesondere kein die Festigkeit und auch Gasdichtigkeit der Verbindungszone beeinträchtigendes Problem. By forming a molten zone in the face areas, such high temperatures are achieved within the molten zone that coatings of the marginal areas either burn or vaporize when they are made of non-temperature resistant materials or are integrated into the melt of the molten zone when made of temperature resistant materials, such as Consist of metals. Such incorporation of components or residual components of coatings in the fusion zone pose no problem even after solidification of the fusion zone in the connection zone, in particular no problem affecting the strength and gas-tightness of the connection zone.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungszone um die Funktionselemente der jeweiligen Baugruppe umlaufend ausgebildet wird. In particular, it is advantageous if the connection zone is formed circumferentially around the functional elements of the respective assembly.

Eine derartige Verbindungszone hat den Vorteil, dass sich damit die Funktionselemente zuverlässig und mit der notwendigen Stabilität verbinden lassen.Such a connection zone has the advantage that it allows the functional elements to be connected reliably and with the necessary stability.

Unter einer umlaufenden Ausbildung der Verbindungszone ist dabei entweder eine umlaufende Ausbildung um eine Außenseite der Baugruppe oder um einen in der Baugruppe liegenden Durchbruch zu verstehen.Under a circumferential formation of the connection zone is either a circumferential training to understand an outside of the module or lying in the assembly breakthrough.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungszone derart ausgebildet wird, dass diese alle Randbereiche der jeweiligen Baugruppe gasdicht miteinander verbindet. It is particularly advantageous if the connection zone is formed in such a way that it connects all edge regions of the respective assembly in a gastight manner.

Diese Lösung hat den großen Vorteil, dass damit in einfacher Art und Weise die Gasdichtigkeit der Verbindung der Funktionselemente gewährleistet werden kann, ohne dass zusätzliche Maßnahmen zum Erreichen der Gasdichtigkeit notwendig werden. This solution has the great advantage that in a simple manner, the gas-tightness of the connection of the functional elements can be ensured without additional measures to achieve the gas-tightness necessary.

Besonders günstig ist es, wenn sich der Stirnseitenbereich, in dem die Verbindungszone gebildet wird, ausgehend von der Stirnseite der Randbereiche maximal über eine einer doppelten Dicke eines der Randbereiche entsprechende Distanz in die Randbereiche hineinerstreckt. It is particularly favorable when the end face region, in which the connection zone is formed, extends from the end face of the edge regions to a maximum over a distance, which is twice the thickness of one of the edge regions, into the edge regions.

Die Dicke des einen der Randbereiche kann dabei die Dicke des dicksten der Randbereiche sein. The thickness of one of the edge regions can be the thickness of the thickest of the edge regions.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich der Stirnseitenbereich, in dem die Verbindungszone gebildet wird, mindestens über eine einer Dicke eines der Randbereiche entsprechende Distanz in die Randbereiche hineinerstreckt. Furthermore, it is preferably provided that the end face region, in which the connection zone is formed, extends into the edge regions at least over a distance corresponding to a thickness of one of the edge regions.

Insbesondere handelt es sich hierbei bei der Dicke des einen der Randbereiche um die Dicke des dünnsten der Randbereiche. In particular, the thickness of one of the edge regions is the thickness of the thinnest of the edge regions.

Insbesondere ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass die Schmelzzone ein Basismaterial der Randbereiche im erschmolzenen Zustand umfasst, so dass das Basismaterial der Randbereiche, insbesondere Stahl, die Grundlage für die Schmelze in der Schmelzzone bildet. In particular, it is provided in the context of the inventive solution that the melting zone comprises a base material of the edge regions in the molten state, so that the base material of the edge regions, in particular steel, forms the basis for the melt in the melting zone.

Hinsichtlich der Erzeugung der Schmelzzone wurde im Zusammenhang mit den bisherigen Lösungen lediglich von einer energiereichen Strahlung ausgegangen. With regard to the generation of the melting zone, only energy-rich radiation was assumed in connection with the previous solutions.

Besonders zweckmäßig ist es, insbesondere auch hinsichtlich der prozesstechnischen Realisierung, wenn die Schmelzzone durch einen Laserstrahl erzeugt wird. It is particularly expedient, in particular also with regard to the process engineering realization, when the melting zone is generated by a laser beam.

Der Laserstrahl kann dabei relativ zu den Randbereichen in unterschiedlichster Art und Weise ausgerichtet sein. The laser beam can be aligned relative to the edge regions in a variety of ways.

Beispielsweise wäre es denkbar, den Laserstrahl streifend an den Stirnseiten entlang zu führen. For example, it would be conceivable to guide the laser beam grazing along the front sides.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der Laserstrahl eine Strahlachse aufweist, die quer zu den Stirnseiten der Randbereiche verläuft, so dass in erster Näherung eine Beaufschlagung der Randbereiche an den Stirnseiten mit einem quer zu diesen gerichteten Laserstrahl erfolgt. A particularly favorable solution provides that the laser beam has a beam axis which extends transversely to the end sides of the edge regions, so that, in a first approximation, an impact of the edge regions on the end faces takes place with a laser beam directed transversely thereto.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Laserstrahl eine Strahlachse aufweist, die relativ zu einer zu einer Flächenausdehnung der Randbereiche parallelen Ebene in einem Winkel von weniger als 60°, noch besser weniger als 30°, verläuft. Preferably, it is provided that the laser beam has a beam axis which extends relative to a plane parallel to a surface extent of the edge regions at an angle of less than 60 °, more preferably less than 30 °.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass dadurch der Laserstrahl im Wesentlichen mit seinem Strahlquerschnitt die Stirnseiten beaufschlagt. This solution has the advantage that, as a result, the laser beam essentially acts on its end faces with its beam cross section.

Besonders günstig ist es, wenn der Laserstrahl mit einem Fokus die Stirnseiten der Randbereiche beaufschlagt. It is particularly favorable if the laser beam acts with a focus on the end sides of the edge regions.

Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Laserstrahl einen Fokus aufweist, welcher quer zu der zur Flächenausdehnung der Randbereiche parallelen Ebene eine Ausdehnung aufweist, die groß ist, dass sie sämtliche Stirnseiten sämtlicher Randbereiche der jeweiligen Baugruppe erfasst. In particular, it is provided that the laser beam has a focus, which has an extension transversely to the plane parallel to the surface extent of the edge regions, which is large, that it covers all end faces of all edge regions of the respective assembly.

Das heißt, dass der Fokus einen Querschnitt aufweist, der eine entsprechende Größe hat, so dass sämtliche Stirnseiten des jeweiligen Randstapels erfasst und gleichzeitig durch Beaufschlagen mittels des Laserstrahls erschmolzen werden können. This means that the focus has a cross-section which has a corresponding size, so that all end faces of the respective edge stack can be detected and simultaneously melted by applying by means of the laser beam.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schmelzzone in einem Auftreffbereich des Laserstrahls entsteht, das heißt, dass der Laserstrahl in seinem Auftreffbereich so lange auf die Stirnseiten und die Randbereiche einwirkt, bis sich an diesen die Schmelzzone mit der gewünschten Ausdehnung bildet. In the solution according to the invention, it is preferably provided that the melting zone is formed in an impact area of the laser beam, that is to say that the laser beam acts in its impact area on the end faces and the edge areas until the melting zone with the desired extent forms thereon.

Um in einem derartigen Fall eine sich längs der Stirnseiten erstreckende Verbindungszone ausbilden zu können, ist beispielsweise vorgesehen, dass mit dem Laserstrahl einander überlappende Schmelzzonen erzeugt werden. In order to be able to form a connection zone extending along the end faces in such a case, it is provided, for example, that overlapping melting zones are produced with the laser beam.

Dies wäre beispielsweise dadurch möglich, dass nach Ausbildung einer Schmelzzone ein Verschieben des Laserstrahls derart erfolgt, dass eine benachbarte Schmelzzone erzeugt wird, die allerdings noch mit der vorangehenden Schmelzzone überlappt, so dass die daraus entstehende Verbindungszone keinerlei Unterbrechung aufweist. This would be possible, for example, by virtue of the fact that, after the formation of a melting zone, the laser beam is displaced in such a way that an adjacent melting zone is produced, which however still overlaps the preceding melting zone, so that the connecting zone resulting therefrom has no interruption.

Besonders günstig ist es, wenn die Schmelzzone in einer Richtung parallel zu den Stirnseiten der Baugruppe wandert und einander überlappende Schmelzzonen erzeugt, so dass aus diesen Schmelzzonen eine zusammenhängende Verbindungszone entstehen kann. It is particularly favorable if the melting zone migrates in a direction parallel to the end faces of the assembly and produces overlapping melt zones, so that a coherent connection zone can arise from these melt zones.

Um eine möglichst optimale Ausbildung der Verbindungszone zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Randbereiche zur Bildung der Schmelzzone kraftbeaufschlagt aneinander angelegt werden. In order to obtain the most optimal possible formation of the connection zone, it is preferably provided that the edge regions are applied to one another in a force-loaded manner to form the fusion zone.

Ferner sieht eine besonders günstige Lösung vor, dass die Randbereiche im Bereich der Randstapel so gestaltet werden, dass diese im Wesentlichen in einer gemeinsamen, quer zur Flächenausdehnung der Randbereiche verlaufenden Randfläche liegende Stirnseiten aufweisen. Furthermore, a particularly favorable solution provides that the edge regions in the region of the edge stacks are designed such that they essentially have end faces lying in a common edge surface running transversely to the surface extension of the edge regions.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Wandlers aus einem Stapel von einzelnen Funktionselementen, insbesondere aus einem Stapel von Baugruppen einzelner Funktionselemente. Moreover, the invention relates to a method for producing an electrochemical converter from a stack of individual functional elements, in particular from a stack of assemblies of individual functional elements.

Um bei einem derartigen Verfahren den elektrochemischen Wandler möglichst kostengünstig, das heißt insbesondere mit möglichst geringen Kosten durch Ausschussteile, herzustellen, wird erfindungsgemäß bei einem derartigen Verfahren eine Nichtschweißverbindung zwischen den Funktionselementen zuerst hergestellt, die Nichtschweißverbindung einem Funktionstest unterzogen und nachfolgend ein Stapeln der Funktionselemente durchgeführt, wobei die gestapelten Funktionselemente miteinander verschweißt werden. In order to produce the electrochemical converter as inexpensively as possible, that is, in particular with the least possible cost by rejects, according to the invention, in such a method a non-welded connection between the functional elements is first produced, the non-welded connection is subjected to a functional test, and subsequently a stacking of the functional elements is carried out. wherein the stacked functional elements are welded together.

Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass die Nichtschweißverbindung in der Regel die technologisch komplexere Verbindung ist und eher anfällig für Fehler, so dass das Herstellen der Nichtschweißverbindung zuerst den Vorteil hat, dass schadhafte Teile ausgesondert werden können und das Verschweißen der gestapelten Funktionselemente nur mit durch die Nichtschweißverbindung verbundenen Funktionselementen erfolgt, die den Funktionstest bestanden haben. The advantage of this solution is that the non-welded connection is usually the more technologically complex connection and more prone to failure so that making the non-welded connection first has the advantage that defective parts can be discarded and the welding of the stacked functional elements only with connected by the non-welding connection functional elements that have passed the functional test.

Dabei kann die Nichtschweißverbindung beispielsweise eine Lotverbindung sein, insbesondere eine Lotverbindung mit einer Keramikschicht. In this case, the non-welded connection can be, for example, a solder connection, in particular a solder connection with a ceramic layer.

Eine andere Lösung sieht vor, dass die Nichtschweißverbindung eine Glaslotverbindung ist. Another solution provides that the non-welded connection is a glass solder connection.

Darüber hinaus wurden hinsichtlich des Funktionstests keine näheren Angaben gemacht. In addition, no details were given regarding the functional test.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass der Funktionstest einen Dichtigkeits- und/oder elektrischen Isolationstest umfasst. Thus, an advantageous solution provides that the functional test comprises a tightness and / or electrical insulation test.

Beispielsweise ist die Dichtigkeit ein wesentliches Merkmal der durch eine Nichtschweißverbindung verbundenen Funktionselemente, wobei insbesondere aber auch eine derartige Nichtschweißverbindung häufig als elektrisch isolierende Verbindung geschaffen wird, um aufeinanderfolgende Funktionselemente des elektrochemischen Wandlers für dessen Funktion relativ zueinander zu isolieren. For example, the tightness is an essential feature of the functional elements connected by a non-welding connection, but in particular also such a non-welded connection is frequently provided as an electrically insulating connection in order to isolate successive functional elements of the electrochemical transducer relative to one another for its function.

Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn der Funktionstest sowohl einen Dichtigkeitstest als auch einen elektrischen Isolationstest umfasst. For this reason, it is particularly advantageous if the functional test comprises both a leak test and an electrical insulation test.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass auch die Verbindungszone der Schweißverbindung einem Dichtigkeitstest unterzogen wird. Moreover, it is advantageous that also the connection zone of the welded joint is subjected to a leak test.

Ein derartiger Dichtigkeitstest kann dabei sukzessive erfolgen, so dass beispielsweise die Randbereiche einer Baugruppe miteinander verschweißt werden und dann ein Dichtigkeitstest durchgeführt wird und dann die nächsten Funktionselemente der nächsten Baugruppe darauf gestapelt werden, verschweißt werden und dann bei der Kombination zweier derartiger Baugruppen ein Dichtigkeitstest unterzogen wird und so weiter. Such a leak test can be carried out successively so that, for example, the edge regions of one assembly are welded together and then a leak test is performed and then the next functional elements of the next assembly are stacked thereon, welded and then subjected to a leak test in the combination of two such assemblies and so on.

Eine beispielhafte Lösung sieht vor, dass die Funktionselemente zu Baugruppen gestapelt werden und die Funktionselemente jeweils einer Baugruppe miteinander verschweißt werden. An exemplary solution provides that the functional elements are stacked to form assemblies and the functional elements of each assembly are welded together.

Ferner ist dabei vorgesehen, dass bei jeder Baugruppe die Verbindungszone nach deren Erstellung einem Funktionstest, insbesondere einem Dichtigkeitstest, unterzogen wird und somit ebenfalls nochmals von Baugruppe zu Baugruppe ein Funktionstest erfolgt. Furthermore, it is provided that for each module, the connection zone after its creation a functional test, in particular a leak test is subjected and thus also again from module to module a functional test.

Insbesondere lässt sich dies dadurch realisieren, dass bei der Herstellung des elektrochemischen Wandlers eine Baugruppe durch Stapeln und Verschweißen der Funktionselemente erstellt und zusammen mit gegebenenfalls bereits erstellten Baugruppen einem Funktionstest unterzogen wird.In particular, this can be realized in that, in the production of the electrochemical converter, an assembly is created by stacking and welding the functional elements and subjected to a function test together with optionally already produced assemblies.

Insbesondere wird erst nach diesem Funktionstest die nächste Baugruppe durch Stapeln und Verschweißen der Funktionsteile erstellt und einem Funktionstest mit sämtlichen bereits erstellten Baugruppen unterzogen wird. In particular, the next assembly is created by stacking and welding of the functional parts and subjected to a functional test with all already created assemblies only after this bump test.

Im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde nicht näher darauf eingegangen, wie bei einem negativen Funktionstest weiter vorgegangen wird. In connection with the previous explanation of the method according to the invention was not discussed in detail how to proceed in a negative functional test.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass bei negativem Funktionstest die schadhafte Stelle der Verbindungszone lokalisiert und nachgearbeitet wird, so dass ein weiterer Funktionstest bestanden werden kann. Preferably, it is provided that, in the event of a negative functional test, the defective location of the connection zone is localized and reworked, so that a further functional test can be passed.

Dabei kann der Funktionstest in unterschiedlicher Art und Weise erfolgen. The functional test can be carried out in different ways.

Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Funktionstest der Verbindungszone in einer Station zum Verschweißen erfolgt, so dass bereits in der Station, in welcher die Verbindungszone hergestellt wird, ein Fehler erkannt werden kann. An advantageous solution provides that the functional test of the connection zone takes place in a station for welding, so that an error can already be detected in the station in which the connection zone is produced.

Dieser erlaubt es insbesondere, dass auch das Nacharbeiten der Verbindungszone zum Bestehen des Funktionstests in der Station zum Verschweißen erfolgt, da die Baugruppe diese Station noch gar nicht verlassen hat. This allows in particular that the reworking of the connection zone to pass the functional test in the station for welding takes place, since the module has not yet left this station.

Alternativ dazu sieht eine andere Lösung vor, dass bei negativem Funktionstest die Baugruppe aus dem Produktionsprozess ausgeschieden wird und beispielsweise das Nacharbeiten zum Bestehen des Funktionstests und der weitere Funktionstest in einer separaten Station erfolgt. Alternatively, another solution provides that in a negative functional test, the assembly is eliminated from the production process and, for example, the reworking to the existence of Functional tests and the further functional test are carried out in a separate station.

Nach Nacharbeiten der Verbindungszone in einer separaten Station kann in diesem Fall die Baugruppe, insbesondere nach Bestehen des weiteren Funktionstests, wieder in den Produktionsprozess eingeschleust und die Weiterproduktion fortgesetzt werden. After reworking of the connection zone in a separate station, the assembly, in particular after passing the further functional test, can be reintroduced into the production process and the further production continued in this case.

Diese Vorgehensweise der sukzessiven Erstellung der Baugruppen hat den Vorteil, dass sich unmittelbar nach jedem Erstellen einer weiteren Baugruppe durch den Funktionstest prüfen lässt, ob diese Baugruppe und auch die bereits erstellten Baugruppen die erforderliche Funktionstüchtigkeit aufweisen, so dass insbesondere bei einem Herstellungsfehler im Zusammenhang mit der Erstellung der letzten Baugruppe dieser sehr schnell lokalisiert und insbesondere durch Nacharbeiten beseitigt werden kann. This procedure of the successive creation of the modules has the advantage that it is possible to check immediately after each creation of a further module by the functional test, whether this module and also the modules already created have the required functionality, so that in particular in a manufacturing error in connection with Creation of the last assembly of this very quickly localized and can be eliminated in particular by rework.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of an embodiment.

In der Zeichnung zeigen: In the drawing show:

1 eine perspektivische teilweise geschnittene und perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Brennstoffzelle mit übereinandergestapelten Baugruppen; 1 a perspective partially sectioned and perspective view of a section of a fuel cell with stacked assemblies;

2 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A in 1; 2 a plan view in the direction of arrow A in 1 ;

3 eine vergrößerte Darstellung von Randstapeln der Baugruppen vor Erzeugen der Schmelzzone; 3 an enlarged view of edge stacks of the assemblies before generating the melting zone;

4 eine Darstellung ähnlich 3 mit der ausgebildeten Verbindungszone; 4 a representation similar 3 with the formed connection zone;

5 eine Darstellung ähnlich 3 mit Darstellung der Laserstrahlung zur Erzeugung der Verbindungszone; 5 a representation similar 3 with representation of the laser radiation for generating the connection zone;

6 einen Schnitt längs Linie 6-6 in 5 und 6 a section along line 6-6 in 5 and

7 ein Ablaufdiagramm betreffend die Herstellung einer Brennstoffzelle. 7 a flowchart relating to the production of a fuel cell.

Ein in 1 und 2 dargestellter Ausschnitt 10 aus einer Brennstoffzelle als Beispiel für einen elektrochemischen Wandler zeigt eine Vielzahl von in einer Stapelrichtung S übereinander gestapelten Baugruppen 12 ₁ bis 12 ₃, die jeweils aus mehreren in der Stapelrichtung S übereinander gestapelten Funktionselementen 22, 24, 26 aufgebaut sind, wobei zumindest eine Vielzahl von Baugruppen 12 der Brennstoffzelle aus identischen Funktionselementen aufgebaut ist. An in 1 and 2 illustrated section 10 From a fuel cell as an example of an electrochemical converter shows a plurality of stacked in a stacking direction S assemblies 12 ₁ to 12 ₃ , each of a plurality of stacked in the stacking direction S functional elements 22 . 24 . 26 are constructed, wherein at least a plurality of modules 12 the fuel cell is constructed of identical functional elements.

Dabei stellt beispielsweise das erste Funktionselement 22 jeder der Baugruppen 12 ein Schalenelement dar, welches einen äußeren in der Art eines Rahmens geschlossen um das Funktionselement 22 umlaufenden Randbereich 32 aufweist, der an einer Stirnseite 34 endet und auf einer der Stirnseite 34 gegenüberliegenden Innenseite 36 in einen Schalenwandbereich 38 übergeht, der quer zum äußeren Randbereich 32 verläuft und seinerseits in einen äußeren Funktionsbereich 42 übergeht, welcher parallel zum äußeren Randbereich 32 verläuft und an welchen sich auf einer dem Schalenwandbereich 38 gegenüberliegenden Seite ein innerer Funktionsbereich 44 anschließt, der beispielsweise in Form aufeinanderfolgender und sich parallel zueinander in einer Längsrichtung L erstreckender Kontaktierungs- und Strömungsführungselemente 46, 48 ausgebildet ist, die in dem Ausführungsbeispiel exemplarisch als Wellen ausgebildet sind, jedoch anders, beispielsweise im Querschnitt als Vieleck, geformt sein können. For example, the first functional element represents this 22 each of the assemblies 12 a shell element, which is an outer in the manner of a frame closed around the functional element 22 circumferential edge area 32 has, on an end face 34 ends and on one of the front page 34 opposite inside 36 in a shell wall area 38 passes over, which transversely to the outer edge area 32 runs and in turn into an outer functional area 42 passes, which is parallel to the outer edge region 32 runs and on which on one of the shell wall area 38 opposite side an inner functional area 44 connects, for example, in the form of successive and parallel to each other in a longitudinal direction L extending contacting and flow guide elements 46 . 48 is formed, which are exemplified in the embodiment as waves, but differently, for example, in cross-section as a polygon, can be shaped.

Das zweite Funktionselement 24 ist beispielsweise als Trägerelement ausgebildet und umfasst einen äußeren in der Art eines Rahmens geschlossen um das Funktionselement 24 umlaufenden Randbereich 52, der sich ausgehend von einer Stirnseite 54 desselben bis zu einem Zellträger 56 erstreckt, welcher als Rahmen geschlossen um eine innere Öffnung 64 herum verläuft und ein erstes Brennstoffzellenelement 58 trägt, das seinerseits über eine Lotschicht 62 mit dem Zellträger 56 verbunden ist. The second functional element 24 For example, is formed as a support member and includes an outer closed in the manner of a frame to the functional element 24 circumferential edge area 52 which is starting from one end face 54 same up to a cell carrier 56 extends, which as a frame closed around an inner opening 64 runs around and a first fuel cell element 58 carries, in turn, over a layer of solder 62 with the cell carrier 56 connected is.

Das erste Brennstoffzellenelement 58 überdeckt dabei die vom Zellträger 56 als Rahmen umschlossene innere Öffnung 64 und steht mit einem Halterand 66 soweit über die innere Öffnung 64 über, dass der Halterand 66 über die Lotschicht 62 mit dem Zellträger 56 verbunden werden kann. The first fuel cell element 58 covers the cell carrier 56 as a frame enclosed inner opening 64 and stands with a retaining edge 66 far beyond the inner opening 64 about that the retaining edge 66 over the solder layer 62 with the cell carrier 56 can be connected.

Das erste Brennstoffzellenelement 58 trägt seinerseits in einem sich innerhalb der inneren Öffnung 64 erstreckenden Funktionsbereich 68 auf seiner der in der Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe 12 zugewandten Seite ein zweites Brennstoffzellenelement 72 und auf einer gegenüberliegenden dem inneren Funktionsbereich 44 des zu derselben Baugruppe 12 gehörenden Schalenelements 22 zugewandten Seite ein Kontaktelement 74. The first fuel cell element 58 in turn carries in one inside the inner opening 64 extending functional area 68 on his next in the stacking direction S module 12 facing side, a second fuel cell element 72 and on an opposite inner working area 44 of the same module 12 belonging shell element 22 facing side a contact element 74 ,

Das zweite Brennstoffzellenelement 72 ist dabei beispielsweise als auf den Funktionsbereich 68 des ersten Brennstoffzellenelements 58 aufgetragene Schicht ausgebildet. The second fuel cell element 72 is for example as on the functional area 68 of the first fuel cell element 58 applied layer formed.

Das Kontaktelement 74 ist seinerseits beispielsweise als Beschichtung oder Flächengebilde ausgebildet und liegt an dem Funktionsbereich 68 des ersten Brennstoffzellenelements 58 an. The contact element 74 For its part, it is designed, for example, as a coating or flat structure and is located on the functional area 68 of the first fuel cell element 58 at.

Das dritte Funktionselement 26 der Baugruppe 12 weist ebenfalls einen in der Art eines Rahmens geschlossen und umlaufenden äußeren Randbereich 82 auf, welcher sich ausgehend von einer Stirnseite 84 zu einem Ausgleichsrahmen 86 erstreckt, welcher um eine innere Rahmenöffnung 87 umlaufend ausgebildet ist. Der Ausgleichsrahmen 86 erstreckt sich von einer inneren Rahmenöffnung 88 bis zur Stirnseite 84 und umfasst dabei den Randbereich 82. The third functional element 26 the assembly 12 also has a closed in the manner of a frame and peripheral outer edge region 82 on, which starting from a front side 84 to a compensation framework 86 which extends around an inner frame opening 87 is formed circumferentially. The balancing frame 86 extends from an inner frame opening 88 to the front side 84 and includes the edge area 82 ,

Der Ausgleichsrahmen 86 liegt seinerseits auf einer dem Halterand 66 des ersten Brennstoffzellenelements 58 gegenüberliegend angeordneten Auflageseite 92 des Zellträgers 56 mit einer Abstützseite 94 auf. The balancing frame 86 is in turn on a retaining edge 66 of the first fuel cell element 58 Opposite arranged overlay side 92 of the cell carrier 56 with a support side 94 on.

Eine der Abstützseite 94 gegenüberliegende Verbindungsseite 96 des Ausgleichsrahmens 86, ist mittels einer Lotschicht 98 mit einer elektrischen Isolationsschicht 102, insbesondere aus Keramik, des in Stapelrichtung S nächstfolgenden Schalenelements 22 der nächstfolgenden Baugruppe 12 verbunden, so dass der Ausgleichsrahmen 86 der einen Baugruppe 12 _x und das Schalenelement 22 der in Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe_x+1 fest miteinander verbunden, jedoch elektrisch gegeneinander isoliert sind. One of the support side 94 opposite connection side 96 the compensation framework 86 , is by means of a solder layer 98 with an electrical insulation layer 102 , in particular of ceramic, of the next in the stacking direction S shell element 22 the next module 12 connected, so the balancing frame 86 the one assembly 12 _x and the shell element 22 the next following in the stacking direction S assembly _{x + 1} firmly connected to each other, but are electrically isolated from each other.

Dabei ist der Ausgleichsrahmen 86 so aufgebaut und ausgebildet, dass bei diesem in der Stapelrichtung S ein Abstand zwischen der Verbindungsseite 86 und der Abstützseite 84 variieren kann.Here is the compensation frame 86 so constructed and formed that in this in the stacking direction S, a distance between the connection side 86 and the support side 84 can vary.

Alternativ zur elektrisch isolierenden Verbindung zwischen dem Ausgleichsrahmen 86 und dem Schalenelement 22 mittels der Lotschicht 98 und der Isolationsschicht 102 wäre es auch denkbar, eine Schicht aus Glaslot zwischen dem Schalenelement 22 und dem Ausgleichsrahmen 86 vorzusehen. Alternatively to the electrically insulating connection between the balance frame 86 and the shell element 22 by means of the solder layer 98 and the insulation layer 102 it would also be conceivable, a layer of glass solder between the shell element 22 and the compensation framework 86 provided.

Der Ausgleichsrahmen 86 erlaubt einen Ausgleich von thermischen und/oder mechanischen Spannungen, beispielsweise von in der Stapelrichtung S wirkenden Zugspannungen, und entlastet dadurch die Fügeverbindungen zwischen den einzelnen Baugruppen 12, insbesondere die durch die Lotschicht 98 hergestellten Verbindungen zwischen der Verbindungsseite 96 des Ausgleichsrahmens 86 einer Baugruppe 12 _x und der Isolationsschicht 102 des Schalenelements 22 der in Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1.The balancing frame 86 allows compensation of thermal and / or mechanical stresses, for example acting in the stacking direction S tensile stresses, and thus relieves the joints between the individual modules 12 , in particular the through the solder layer 98 made connections between the connection side 96 the compensation framework 86 an assembly 12 _x and the insulation layer 102 of the shell element 22 the next in the stacking direction S assembly 12 _{x + 1} .

Bei einer aus den Baugruppen 12 durch Stapeln in Stapelrichtung S der Baugruppen 12 hergestellten Brennstoffzelle liegt bei jeder Baugruppe 12 das jeweilige Kontaktelement 74, das sich vorzugsweise innerhalb der inneren Öffnung 64 des Zellträgers 56 erstreckt, auf diesem zugewandten Kämmen 108 der Kontaktierungs- und Strömungsführungselemente 48 des inneren Funktionsbereichs 44 des Schalenelements 22 der jeweiligen Baugruppe 12 _x auf und ist mit diesem elektrisch leitend verbunden, während das zweite Brennstoffzellenelement 72 an den Kämmen 106 der Kontaktierungs- und Strömungsführungselemente 46 des Schalenelements 22 der in der Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1 anliegt und mit diesen in elektrisch leitender Verbindung steht, so dass jeweils das zweite Brennstoffzellenelement 72 der einen Baugruppe 12 _x das Schalenelement 22 der in Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1 kontaktiert, das seinerseits wiederum das mit dem ersten Brennstoffzellenelement 58 verbundene Kontaktelement 74 dieser nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1 kontaktiert. In one of the modules 12 by stacking in the stacking direction S of the modules 12 manufactured fuel cell is located in each assembly 12 the respective contact element 74 preferably located inside the inner opening 64 of the cell carrier 56 extends, on this facing comb 108 the contacting and flow guiding elements 48 of the inner functional area 44 of the shell element 22 the respective module 12 _x and is electrically connected thereto, while the second fuel cell element 72 at the crests 106 the contacting and flow guiding elements 46 of the shell element 22 the next in the stacking direction S assembly 12 _{x + 1} is present and is in electrically conductive connection with these, so that in each case the second fuel cell element 72 the one assembly 12 _x the shell element 22 the next in the stacking direction S assembly 12 _{x + 1} contacted, in turn, that with the first fuel cell element 58 connected contact element 74 this next module 12 _{x + 1} contacted.

Wie in 3 vergrößert dargestellt, bilden die Randbereiche 32, 52 und 82 jeder der Baugruppen 12 zusammen einen Randstapel 112, in welchem die Randbereiche 32, 52, 82 mit Flachseiten aneinander anliegen. As in 3 shown enlarged form the edge areas 32 . 52 and 82 each of the assemblies 12 together a border stack 112 in which the border areas 32 . 52 . 82 with flat sides abut each other.

So weist beispielsweise der Randbereich 32 eine untere Flachseite 132 und eine obere Flachseite 134 auf. Auf dieser oberen Flachseite 134 des Randbereichs 32 liegt der Randbereich 52 mit einer unteren Flachseite 152 auf, während eine obere Flachseite 154 dem Randbereich 82 zugewandt ist, so dass der Randbereich 82 mit einer unteren Flachseite 182 auf der oberen Flachseite 154 des Randbereichs 52 aufliegt und mit einer oberen Flachseite 184 der nächstfolgenden Baugruppe 12 zugewandt ist. For example, the border area points 32 a lower flat side 132 and an upper flat side 134 on. On this upper flat side 134 of the border area 32 is the edge area 52 with a lower flat side 152 on while a top flat side 154 the edge area 82 is facing, leaving the edge area 82 with a lower flat side 182 on the upper flat side 154 of the border area 52 rests and with an upper flat side 184 the next module 12 is facing.

Zur Verbindung der den jeweiligen Randstapel 112 bildenden Randbereiche 32, 52 und 82 miteinander erfolgt in einem sich an die jeweiligen Stirnseiten 34, 54 und 84 der Randbereiche 32, 52, 82 anschließenden Stirnseitenbereich 33, 53, 83 die Ausbildung einer in 3 gestrichelt dargestellten Schmelzzone 114, wobei sich die Stirnseitenbereiche 33, 53, 83 ausgehend von den Stirnseiten 34, 54 und 84 in die Randbereiche 32, 52, 82 hinein über einen Teilbereich derselben ausdehnen, und zwar mindestens über eine Distanz, welche einer Dicke des Randbereichs 32, 52, 82 mit der geringsten Dicke entspricht, und höchstens über eine Distanz, welche einer doppelten Dicke des Randbereichs 32, 52, 82 mit der größten Dicke entspricht. To connect the respective edge stack 112 forming edge areas 32 . 52 and 82 each other takes place in a on the respective end faces 34 . 54 and 84 the border areas 32 . 52 . 82 adjoining end face area 33 . 53 . 83 the education of an in 3 Dashed line shown melting zone 114 , where the front side areas 33 . 53 . 83 starting from the end faces 34 . 54 and 84 in the border areas 32 . 52 . 82 extend over a portion of the same, at least over a distance which a thickness of the edge region 32 . 52 . 82 with the smallest thickness, and at most over a distance, which is a double thickness of the edge region 32 . 52 . 82 corresponds to the largest thickness.

In dieser Schmelzzone 114 erfolgt durch Erhitzen eines Basismaterials der Randbereiche 32, 52, 82 die Ausbildung einer Schmelze, die das Basismaterial der Randbereiche 32, 52, 82 umfasst. In this melting zone 114 is done by heating a base material of the edge regions 32 . 52 . 82 the formation of a melt, which is the base material of the edge areas 32 . 52 . 82 includes.

Ist das Basismaterial der Randbereiche 32, 52, 82 ein Metall, zum Beispiel Stahl, so ergibt sich in der Schmelzzone 114 insgesamt eine Schmelze, die eine Legierung aus sämtlichen in den Randbereichen 32, 52, 82 vorhandenen Bestandteilen darstellt. Is the base material of the border areas 32 . 52 . 82 a metal, for example steel, results in the melting zone 114 a total of a melt, which is an alloy of all in the peripheral areas 32 . 52 . 82 represents existing components.

Umfassen die Randbereiche 32, 52, 82 Beschichtungen, so erfolgt entweder ein Verbrennen oder Verdampfen der Beschichtungen, wenn diese keine Temperaturbeständigkeit aufweisen, die der Temperatur in der Schmelzzone 114 Stand hält, oder es folgt ein Einbetten der Materialien der Beschichtungen, wenn diese derart temperaturstabil sind, dass sie den sich in der Schmelzzone 114 ausbildenden Temperaturen Stand halten. Include the border areas 32 . 52 . 82 Coatings, so either burning or evaporation of the coatings, if they have no temperature resistance, the temperature in the melting zone 114 Stands or it follows an embedding of the materials of the coatings, if they are so thermally stable that they are in the molten zone 114 Training temperatures withstand.

Diese Beschichtungen können dann in diesem Fall in die sich in der Schmelzzone 114 bildende Schmelze eingebettet werden. Bei derartigen Beschichtungen handelt es sich beispielsweise um Metallbeschichtungen, so dass die Metalle dann in die Schmelze der Schmelzzone 114 integriert werden. These coatings may then be in the melt zone 114 forming melt are embedded. Such coatings are, for example, metal coatings, so that the metals then enter the melt of the melting zone 114 to get integrated.

Sind die Funktionselemente mit Keramikbeschichtungen versehen, so sind diese so anzuordnen, dass kein Keramikmaterial derselben in den Randbereichen 32, 52, 82 angeordnet ist und somit nicht in die Schmelze der Schmelzzone 114 integriert wird. If the functional elements are provided with ceramic coatings, these are to be arranged so that no ceramic material of the same in the edge regions 32 . 52 . 82 is arranged and thus not in the melt of the melting zone 114 is integrated.

Nach Aushärten der Schmelzzone 114 bildet sich eine Verbindungszone 116, welche, wie in 4 dargestellt, die gesamten Randbereiche 32, 52 und 82 der jeweiligen Baugruppe 12 miteinander verbindet und somit auch sämtliche Funktionselemente 22, 24 und 26 der Baugruppe 12 dadurch miteinander dauerhaft verbindet. After curing of the melting zone 114 a connection zone is formed 116 which, as in 4 represented, the entire border areas 32 . 52 and 82 the respective module 12 interconnects and thus all functional elements 22 . 24 and 26 the assembly 12 thus permanently connecting with each other.

Zum Erzeugen der Schmelzzone 114 in den jeweiligen Baugruppen 12 werden zumindest die Funktionselemente 22, 24, 26 einer Baugruppe 12 in der Stapelrichtung S aufeinandergestapelt und entgegengesetzt zur Stapelrichtung S mit Kraft beaufschlagt, so dass sämtliche Randbereiche 32, 52, 82 mit ihren entsprechenden Flachseiten 134, 152, sowie 154, 182 kraftbeaufschlagt aufeinander liegen. To create the fusion zone 114 in the respective modules 12 be at least the functional elements 22 . 24 . 26 an assembly 12 stacked in the stacking direction S and acted upon opposite to the stacking direction S with force, so that all edge regions 32 . 52 . 82 with their corresponding flat sides 134 . 152 , such as 154 . 182 subjected to force each other.

Alternativ dazu ist es aber auch möglich, sämtliche Funktionselemente 22, 24, 26 sämtlicher Baugruppen 12 in der Stapelrichtung S aufeinander zu legen und entgegengesetzt zur Stapelrichtung S zu beaufschlagen, so dass sich bei allen Baugruppen 12 Randstapel 112 bilden, in denen die Randbereiche 32, 52, 82 der jeweiligen Funktionselemente 22, 24, 26 mit ihren Flachseiten kraftbeaufschlagt aufeinander liegen. Alternatively, it is also possible, all functional elements 22 . 24 . 26 all assemblies 12 in the stacking direction S to put on each other and opposite to the stacking direction S to apply, so that in all modules 12 edge stacking 112 form, in which the border areas 32 . 52 . 82 the respective functional elements 22 . 24 . 26 with their flat sides kraftbeaufschlagt each other.

In diesem Zustand der Randstapel 112 erfolgt, wie in 5 dargestellt, ein Eintrag von Wärme über die Stirnseiten 34, 54, 84 der Randbereiche 32, 52, 82 mittels eines von außerhalb des Randstapels 112 auf die Stirnseiten 34, 54, 84 gerichteten Laserstrahls 122, der alle Stirnseiten 34, 54 und 84 des jeweiligen Randstapels 112 gleichzeitig beaufschlagt und dadurch das Erschmelzen des Materials der Randbereiche 32, 52, 82 bewirkt.In this state the edge stack 112 done as in 5 represented, an entry of heat over the end faces 34 . 54 . 84 the border areas 32 . 52 . 82 by means of one from outside the edge stack 112 on the front sides 34 . 54 . 84 directed laser beam 122 , all the faces 34 . 54 and 84 of the respective edge stack 112 simultaneously applied and thereby the melting of the material of the edge regions 32 . 52 . 82 causes.

Dabei hat der Laserstrahl 122 eine derartige Ausrichtung, dass eine Strahlachse 124 des Laserstrahls 122 mit einer zur Flächenausdehnung der Randbereiche 32, 52, 82 parallelen Ebene E einen Winkel einschließt, der kleiner 60° ist, vorzugsweise kleiner 30° ist, um sämtliche Stirnseiten 34, 54, 84 des jeweiligen Randstapels 112 optimal zu beaufschlagen und somit in allen Randbereichen 32, 52, 82 das jeweilige Basismaterial zu erschmelzen. The laser beam is there 122 such an orientation that a beam axis 124 of the laser beam 122 with a surface area of the edge areas 32 . 52 . 82 parallel plane E includes an angle which is less than 60 °, preferably less than 30 °, to all end faces 34 . 54 . 84 of the respective edge stack 112 optimally apply and thus in all peripheral areas 32 . 52 . 82 to melt the respective base material.

Ferner hat der Laserstrahl 122 vorzugsweise einen Fokus 126, welcher eine Ausdehnung aufweist, die vorzugsweise in der Größenordnung der Erstreckung der Stirnseiten 34, 54, 84 quer zur Ebene E ist. Furthermore, the laser beam has 122 preferably a focus 126 which has an extension which is preferably of the order of the extent of the end faces 34 . 54 . 84 is transverse to the plane E.

Wie in 6 dargestellt, erfolgt dabei in einer Auftreffzone 128 des Laserstrahls 122 die Ausbildung der Schmelzzone 114. As in 6 shown, takes place in an impact zone 128 of the laser beam 122 the formation of the melting zone 114 ,

Wird jedoch der Laserstrahl 122 entlang den Stirnseiten 34, 54, 84 in einer Richtung R bewegt, so bilden sich einander überlappende Auftreffzonen 128 ₁ bis 128 _n, so dass nach Erkalten der sich in den Auftreffzonen 128 ₁ bis 128 _n bildenden Schmelzzonen 114 eine zusammenhängende Verbindungszone 116 ausbildet, welche im jeweiligen Randstapel 112 sämtliche Randbereiche 32, 52, 82 fest und dauerhaft sowie insbesondere gasdicht miteinander verbindet. But becomes the laser beam 122 along the front ends 34 . 54 . 84 moves in a direction R, then overlapping impact zones are formed 128 ₁ to 128 _n , so that after cooling down in the impact zones 128 ₁ to 128 _n forming melting zones 114 a contiguous connection zone 116 forms, which in each edge stack 112 all border areas 32 . 52 . 82 firmly and permanently and in particular gas-tightly interconnects.

Erfolgt dabei ein Bewegen des Laserstrahls 122 entlang der gesamten Stirnseiten 34, 54, 84 der jeweiligen Baugruppe 12, so besteht die Möglichkeit, aufgrund der einander überlappenden Schmelzzonen 128 ₁ bis 128 _n eine zusammenhängende Verbindungszone 116 auszubilden, die um die Stirnseiten 34, 54, 84 der gesamten Baugruppe 12 geschlossen umläuft und somit insbesondere eine gasdichte Verbindung aller Randbereiche 32, 52, 82 des jeweiligen Randstapels schafft. This is done by moving the laser beam 122 along the entire end faces 34 . 54 . 84 the respective module 12 , so there is a possibility due to the overlapping melting zones 128 ₁ to 128 _n a contiguous connection zone 116 form around the ends 34 . 54 . 84 the entire assembly 12 closed surrounds and thus in particular a gas-tight connection of all border areas 32 . 52 . 82 creates the respective Randstapels.

Somit besteht bei der erfindungsgemäßen Lösung die Möglichkeit, die Funktionseinheiten 22, 24, 26 der jeweiligen Baugruppe 12 dauerhaft und gasdicht miteinander zu verbinden. Thus, in the solution according to the invention, the possibility exists of the functional units 22 . 24 . 26 the respective module 12 permanently and gastight to connect.

Dieses Verfahren kann somit bei allen Baugruppen 12 angewandt werden, um somit eine einfache und vorteilhafte Verbindung der Randbereiche 32, 52, 82 in den jeweiligen Randstapeln 112 zu schaffen, die auch im Falle von Schweißfehlerstellen einfach zu reparieren ist. This procedure can thus be applied to all assemblies 12 be applied, thus a simple and advantageous connection of the edge areas 32 . 52 . 82 in the respective marginal stacks 112 which is easy to repair even in the case of welding defects.

Bei der Herstellung der Brennstoffzelle gemäß 1 wäre es prinzipiell möglich, zunächst bei jeder der einzelnen Baugruppen 12 ₁ bis 12 _n die Funktionselemente 22, 24, 26 an ihren Randbereichen 32, 52, 82 miteinander zu verschweißen und dann nachfolgend jeweils den Ausgleichsrahmen 86 des einen Funktionselements 12 _x mit seiner Verbindungsseite 96 mittels der Lotschicht 98 mit der Isolationsschicht 102 des Schalenelements 22 der in Stapelrichtung S nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1 zu verbinden. In the manufacture of the fuel cell according to 1 it would be possible in principle, first in each of the individual modules 12 ₁ to 12 _n the functional elements 22 . 24 . 26 at its edge areas 32 . 52 . 82 to weld together and then below each of the balance frame 86 of a functional element 12 _x with its connection side 96 by means of the solder layer 98 with the insulation layer 102 of the shell element 22 the next in the stacking direction S assembly 12 _{x + 1} to connect.

Alternativ wäre anstelle der Verbindung zwischen der Lotschicht 98 und der Isolationsschicht 102 auch eine Verbindung mittels Glaslot möglich. Alternatively, instead of the connection between the solder layer 98 and the insulation layer 102 also a connection by means of glass solder possible.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht jedoch vor, dass, wie in dem Ablaufdiagramm gemäß 7 dargestellt, vor dem Verschweißen der Randbereiche 32, 52, 82 der einzelnen Funktionselemente 22, 24, 26 eine Nichtschweißverbindung 192 der in der Brennstoffzelle einzusetzenden dritten Funktionselemente 26 einer jeweiligen Baugruppe 12 _x mit den entsprechenden ersten Funktionselementen 22 der jeweils nächstfolgenden Baugruppe 12 _x+1 erfolgt. However, a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention provides that, as in the flowchart according to 7 shown, before the welding of the edge regions 32 . 52 . 82 the individual functional elements 22 . 24 . 26 a non-welded connection 192 the third functional elements to be used in the fuel cell 26 a respective module 12 _x with the corresponding first functional elements 22 the next following module 12 _{x + 1} takes place.

Danach erfolgt, wie in 7 dargestellt, als Funktionstest 194 ein Drucktest der Nichtschweißverbindungen zwischen den dritten Funktionselementen 26 und den ersten Funktionselementen 22 sowie ein elektrischer Leitfähigkeitstest zur Überprüfung der geforderten elektrischen Isolationswirkung der Verbindungen der ersten Funktionselemente 22 und der dritten Funktionselemente 26, wobei die Reihenfolge des Drucktests und des elektrischen Leitfähigkeitstests beliebig ist, das heißt es können zuerst der Leitfähigkeitstest und dann der Drucktest oder umgekehrt zuerst der Drucktest und dann der Leitfähigkeitstest oder auch beide gleichzeitig durchgeführt werden. After that, as in 7 shown as a function test 194 a pressure test of the non-welded joints between the third functional elements 26 and the first functional elements 22 and an electrical conductivity test for checking the required electrical insulation effect of the connections of the first functional elements 22 and the third functional elements 26 wherein the order of the pressure test and the electrical conductivity test is arbitrary, that is, first the conductivity test and then the pressure test, or conversely first the pressure test and then the conductivity test or both can be performed simultaneously.

Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass damit die technologisch schwierige Verbindung des dritten Funktionselements 26 mit dem jeweiligen ersten Funktionselement 22, die einerseits druckfest sein muss und andererseits keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen darf, zuerst erfolgt, so dass hier bei nicht druckfesten oder leitfähigen Verbindungen ein Ausschließen der miteinander verbundenen Funktionselemente 26, 22 als Fehlteile erfolgen kann. The advantage of this solution can be seen in the fact that thus the technologically difficult connection of the third functional element 26 with the respective first functional element 22 , on the one hand must be pressure-resistant and on the other hand must have no electrical conductivity, first, so that here in non-pressure-resistant or conductive compounds exclusion of the interconnected functional elements 26 . 22 can be done as missing parts.

Danach erfolgt ein Stapeln 196 der Funktionselemente 22, 24, 26 der ersten Baugruppe 12 ₁ oder auch gleichzeitig sämtlicher Baugruppen 12 ₁ bis 12 _N. Thereafter, a stacking takes place 196 the functional elements 22 . 24 . 26 the first assembly 12 ₁ or at the same time all modules 12 ₁ to 12 _N.

Danach werden die jeweiligen Funktionselemente 22, 24, 26 der Baugruppen 12 durch Verschweißen 198 an ihren Randbereichen 32, 52, 82 in der beschriebenen Art und Weise miteinander verbunden. Thereafter, the respective functional elements 22 . 24 . 26 of the assemblies 12 by welding 198 at its edge areas 32 . 52 . 82 connected in the manner described.

Beim Verschweißen 198 der Randbereiche 32, 52, 82 der jeweiligen Funktionselemente 22, 24, 26 der Baugruppen 12 bestehen ebenfalls noch weitere unterschiedliche Möglichkeiten der Vorgehensweise. When welding 198 the border areas 32 . 52 . 82 the respective functional elements 22 . 24 . 26 of the assemblies 12 There are also other different options for the procedure.

So erfolgt beispielsweise nach dem Stapeln 196 der Funktionselemente 22, 24, 26 der ersten Baugruppe 12 ₁, wobei der Ausgleichsrahmen 86 bereits mit dem Schalenelement 22 verbunden ist, ein Verschweißen der Randbereiche 32, 52, 82 der ersten Baugruppe 12 ₁ und nachfolgend vor dem Stapeln 196 der weiteren Funktionselemente 24, 26 der zweiten Baugruppe 12 ₂, bereits ein Funktionstest 202, insbesondere ein Dichtigkeitstest, der ersten Baugruppe 12 ₁, gemeinsam mit dem mit dieser verbundenen Schalenelement 22, der nächsten Baugruppe 12 ₂.For example, after stacking 196 the functional elements 22 . 24 . 26 the first assembly 12 ₁ , the compensation frame 86 already with the shell element 22 is connected, a welding of the edge regions 32 . 52 . 82 the first assembly 12 ₁ and subsequently before stacking 196 the other functional elements 24 . 26 the second module 12 ₂ , already a bump test 202 , in particular a leak test, the first assembly 12 ₁ , together with the associated with this shell element 22 , the next assembly 12 ₂ .

Wird hierbei nach dem Verschweißen der Randbereiche 32, 52, 82 eine undichte Stelle festgestellt, so kann ein Nachschweißen der Verbindungszone 116 an der undichten Stelle nach Lokalisieren derselben erfolgen, bevor ein Stapeln 196 und ein Verschweißen 198 der Randbereiche 32, 52, 82 der Funktionselemente 24, 26 mit 22 der zweiten Baugruppe 12 ₂ erfolgt. This is after the welding of the edge areas 32 . 52 . 82 a leak detected, so can reweld the connection zone 116 at the leak after locating them before stacking 196 and a welding 198 the border areas 32 . 52 . 82 the functional elements 24 . 26 With 22 the second module 12 ₂ takes place.

Somit besteht bei sukzessivem Stapeln und Verschweißen der Baugruppen 12 _1-n die Möglichkeit, jede Verbindungszone 116 an den Randbereichen 32, 52, 82 einer jeden einzelnen Baugruppe 12 _x auf ihre Dichtheit zu testen und gegebenenfalls die Verbindungszone 116 nachzuschweißen. Thus, there is successive stacking and welding of the assemblies 12 _1-n the possibility of each connection zone 116 at the edge areas 32 . 52 . 82 each individual assembly 12 _x to test for leaks and, where appropriate, the connection zone 116 nachzuschweißen.

Der Vorteil dieser Lösung besteht somit darin, dass einerseits die Möglichkeit besteht, die technologisch kritische Verbindung zwischen dem dritten Funktionselement 26 und dem ersten Funktionselement 22 zuerst durchzuführen, umfangreich im Hinblick auf die Funktionen, wie zum Beispiel Dichtheit und elektrische Isolation, zu testen und erst dann die technologisch einfachere Schweißverbindung an den Randbereichen 32, 52, 82 durchzuführen und gegebenenfalls im Fall einer Schadhaftigkeit der Verbindungszone 116 diese nachzuschweißen. The advantage of this solution is thus that on the one hand there is the possibility of the technologically critical connection between the third functional element 26 and the first functional element 22 first to perform extensive, in terms of the functions, such as tightness and electrical insulation, and then test the technologically easier welded joint on the edge areas 32 . 52 . 82 and, if appropriate, in the event of a defect in the connection zone 116 to reweld them.

Claims

Method for connecting a plurality of functional elements ( 22 . 24 . 26 ) to an assembly ( 12 ), in particular for the connection of functional elements ( 22 . 24 . 26 ) of electrochemical transducers to individual assemblies ( 12 ) thereof, wherein the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) Edge regions of flat material, which form to form edge stacks ( 112 ) are stacked in a stacking direction (S), thereby characterized in that the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) up to in the stacking direction (S) successive end faces ( 34 . 54 . 84 ) extend that the end faces ( 34 . 54 . 84 ) in the respective edge stack ( 112 ) are arranged relative to one another such that they are to be generated within a region to be produced and on an end region ( 33 . 53 . 83 ) of the border areas ( 32 . 52 . 82 ) limited melting zone ( 114 ) that by applying the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) with high-energy radiation, the melting zone ( 114 ) starting from the end faces of the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) of the respective edge stack ( 112 ) and that by solidification of the melting zone ( 114 ) one the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) connecting the respective assembly interconnecting zone ( 116 ) is formed.

Method according to claim 1, characterized in that the connection zone ( 116 ) around the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) of the respective module ( 12 ) is formed circumferentially.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the connection zone ( 116 ) is formed such that it covers all edge areas ( 34 . 54 . 84 ) of the respective module ( 12 ) connects gas-tight together.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the end face region ( 33 . 53 . 83 ), in which the connection zone is formed, starting from the end faces ( 34 . 54 . 84 ) of the border areas ( 32 . 52 . 82 ) over a maximum of a double thickness of one of the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) corresponding distance in the border areas ( 32 . 52 . 82 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the melting zone ( 114 ) a base material of the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) in the molten state.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the melting zone ( 114 ) by a laser beam ( 122 ) is produced.

Method according to claim 6, characterized in that the laser beam ( 122 ) a beam axis ( 124 ), which transversely to the end faces ( 34 . 54 . 84 ) of the border areas ( 32 . 52 . 82 ) runs.

A method according to claim 7, characterized in that the laser beam is a beam axis ( 124 ), which extends at an angle of less than 60 ° relative to a plane parallel to a surface extent of the edge regions (E).

Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that with the laser beam ( 122 ) the front sides ( 34 . 54 . 84 ) of all border areas ( 32 . 52 . 82 ) at the same time.

Method according to one of Claims 6 to 9, characterized in that the laser beam has a focus ( 126 ), which transversely to the surface area of the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) parallel plane (E) has an extent that is so large that it covers all the faces ( 34 . 54 . 84 ) of all border areas ( 32 . 52 . 82 ) of the respective module ( 12 ) detected.

Method according to one of claims 6 to 10, characterized in that the melting zone ( 114 ) in an impact area ( 128 ) of the laser beam ( 122 ) arises.

Method according to one of claims 6 to 11, characterized in that with the laser beam ( 122 ) overlapping melting zones ( 114 ) be generated.

Method according to one of claims 6 to 12, characterized in that the melting zones ( 128 ) in a direction (R) parallel to the end faces ( 34 . 54 . 84 ) of the assembly ( 12 ) migrates and overlapping melting zones ( 128 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) to form the fusion zone ( 114 ) force applied to each other.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) in the area of the edge stacks ( 112 ) are designed so that they are substantially in a common, transverse to the surface extent of the edge regions ( 32 . 52 . 82 ) extending edge surface lying end faces ( 34 . 54 . 84 ) exhibit.

Method for producing an electrochemical converter from a stack of individual functional elements ( 22 . 24 . 26 ), characterized in that a non-welded connection ( 192 ) between a part of the functional elements ( 22 . 24 . 26 ), that the non-welded joint is subjected to a functional test ( 194 ), then stacking ( 196 ) of the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) and that subsequently welding ( 198 ) of the stacked functional elements ( 22 . 24 . 26 ) producing a connection zone ( 116 ) takes place with each other.

A method according to claim 16, characterized in that the non-welding connection is a solder joint.

A method according to claim 16, characterized in that the non-welded connection is a glass solder connection.

Method according to one of claims 16 to 18, characterized in that the functional test ( 194 ) comprises a tightness and / or electrical insulation test.

Method according to one of claims 16 to 19, characterized in that during welding ( 198 ) generated connection zone ( 116 ) a functional test ( 202 ).

Method according to one of claims 16 to 20, characterized in that the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) to the assembly ( 12 ) and the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) each of an assembly ( 12 ) by welding ( 198 ).

A method according to claim 21, characterized in that for each assembly ( 12 ) the connection zone ( 116 ) a functional test ( 202 ).

Method according to one of claims 21 or 22, characterized in that in the manufacture of the electrochemical transducer an assembly ( 12 _x ) by stacking ( 196 ) and welding ( 198 ) of the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) and together with any assemblies ( 12 _x-1 ) a functional test ( 202 ).

Method according to claim 23, characterized in that only after this functional test ( 202 ) the next assembly ( 12 _{x + 1} ) by stacking ( 196 ) and welding ( 198 ) of the functional elements ( 22 . 24 . 26 ) and a bump test ( 202 ) with all already created assemblies ( 12 ₁ - 12 _{x + 1} ).

Method according to claim 23 or 24, characterized in that in the case of a negative functional test ( 202 ) the leak of the connection zone ( 116 ) is localized and reworked.

Method according to one of claims 23 to 25, characterized in that the functional test ( 202 ) of the connection zone ( 116 ) in a welding station ( 198 ) of the connection zone ( 116 ) he follows.

Method according to one of claims 23 to 26, characterized in that the reworking of the connection zone ( 116 ) in the station for welding ( 198 ) of the connection zone ( 116 ) he follows.

Method according to one of claims 23 to 27, characterized in that in the case of a negative functional test ( 134 ) the assembly ( 12 ) is eliminated from the production process.