DE102020202373A1

DE102020202373A1 - Method for producing a fuel cell stack, fuel cell stack

Info

Publication number: DE102020202373A1
Application number: DE102020202373.5A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1), bei dem mehrere Brennstoffzellen (2), beispielsweise Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, übereinander gestapelt und verbunden werden. Erfindungsgemäß wird außen auf den Brennstoffzellenstapel (1) zumindest bereichsweise eine Beschichtung (3) als Dichtung und/oder elektrische Isolierung aufgebracht.Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel (1), der vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hegestellt worden ist.The invention relates to a method for producing a fuel cell stack (1) in which a plurality of fuel cells (2), for example proton exchange membrane fuel cells, are stacked on top of one another and connected. According to the invention, a coating (3) is applied to the outside of the fuel cell stack (1) at least in some areas as a seal and / or electrical insulation. The invention also relates to a fuel cell stack (1), which has preferably been produced by the method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.The invention relates to a method for producing a fuel cell stack with the features of the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to a fuel cell stack which has preferably been produced by the method according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Ein Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, umfasst in der Regel eine Vielzahl an Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Zur Versorgung der Einzelzellen mit den jeweiligen Reaktanten, in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff, erstrecken sich durch den Stapel mehrere Versorgungskanäle. Darüber hinaus sind weitere Kanäle vorgesehen, beispielsweise zum Ableiten von Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt. Es ist daher wichtig, dass ein Brennstoffzellenstapel nach außen hin möglichst mediendicht ausgeführt ist.A fuel cell stack, also known as a “stack”, generally comprises a large number of fuel cells in a stacked arrangement. To supply the individual cells with the respective reactants, usually hydrogen and oxygen, several supply channels extend through the stack. In addition, further channels are provided, for example for discharging product water that occurs during operation of the fuel cells. It is therefore important that a fuel cell stack is designed to be as media-tight as possible from the outside.

Aus der DE 10 2004 048 525 A1 geht beispielhaft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellen-Stapels hervor, bei dem zur Herstellung der geforderten Mediendichtheit Dichtungen zwischen den Einzelzellen vorgesehen werden. Die Dichtungen bzw. das Dichtungsmedium wird nass verbaut und bei hohen Temperaturen, die höher als die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen sind, getrocknet. Dabei findet ein Schwindprozess statt, der dazu führt, dass das Endmaß des Brennstoffzellenstapels vom ursprünglichen Maß abweicht. Um dem entgegenzuwirken, wird in der DE 10 2004 048 525 A1 vorgeschlagen, den Brennstoffzellen-Stapel bereits vor dem Trocknen des Dichtungsmediums auf das Endmaß zu fügen oder das Dichtungsmedium erst nach dem Fügen unter Überdruck in die dafür vorgesehenen Aufnahmeräume einzubringen.From the DE 10 2004 048 525 A1 is an example of a method for producing a fuel cell stack, in which seals are provided between the individual cells to produce the required media tightness. The seals or the sealing medium are installed wet and dried at high temperatures that are higher than the operating temperature of the fuel cells. A shrinkage process takes place, which means that the final dimensions of the fuel cell stack deviate from the original dimensions. To counteract this, the DE 10 2004 048 525 A1 proposed to join the fuel cell stack to the final dimensions before the sealing medium has dried or to introduce the sealing medium into the receiving spaces provided for this purpose only after joining under excess pressure.

Da über derartige Dichtungen in der Regel zugleich die erforderliche elektrische Isolierung zwischen benachbarten Brennstoffzellen realisiert wird, erfordert der Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels eine hohe Prozesssicherheit. Denn bereits geringe Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen können dazu führen, dass es zu einem unerwünschten Kontakt zwischen den Kontaktelementen der einzelnen Brennstoffzellen kommt. Bei den Kontaktelementen kann es sich insbesondere um jeweils außenliegend in Bezug auf eine Brennstoffzelle angeordnete Bipolarplatten handeln.Since the necessary electrical insulation between adjacent fuel cells is usually realized at the same time via such seals, the assembly of a fuel cell stack requires a high level of process reliability. Because even small manufacturing and / or assembly tolerances can lead to undesired contact between the contact elements of the individual fuel cells. The contact elements can in particular be bipolar plates arranged on the outside in relation to a fuel cell.

Ausgehend von dem vorliegend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Brennstoffzellenstapels möglichst einfach und kostengünstig zu gestalten und gleichzeitig ein möglichst robustes Design im Hinblick auf Mediendichtheit und elektrische Isolation anzugeben.Proceeding from the prior art mentioned here, the present invention is based on the object of making the production of a fuel cell stack as simple and inexpensive as possible and at the same time specifying a design that is as robust as possible with regard to media tightness and electrical insulation.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, der insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sein kann.To achieve the object, the method is specified with the features of claim 1. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, a fuel cell stack is proposed which can in particular have been produced by the method according to the invention.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels werden mehrere Brennstoffzellen übereinander gestapelt und verbunden. Bei den Brennstoffzellen kann es sich beispielsweise um Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: Proton Exchange Membrane Fuel Cell = PEM-FC) handeln. Bei dem Verfahren wird erfindungsgemäß außen auf den Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise eine Beschichtung als Dichtung und/oder elektrische Isolierung aufgebracht.In the proposed method for producing a fuel cell stack, several fuel cells are stacked on top of one another and connected. The fuel cells can be, for example, proton exchange membrane fuel cells (PEM-FC). In the method, according to the invention, a coating is applied as a seal and / or electrical insulation to the outside of the fuel cell stack, at least in some areas.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Beschichtung kann die Mediendiffusion von innen nach außen reduziert werden, so dass eine höhere Gasdichtheit erreicht wird. Demzufolge wird weniger Gas aus dem Brennstoffzellenstapel an die Umgebung abgegeben. Die vorgeschlagene Beschichtung wird vorzugsweise zusätzlich zu mindestens einer zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen angeordneten Dichtung aufgebracht, so dass die Dichtheitsanforderungen an diese Dichtung sinken. Etwaige Fertigungs- und/oder Montagefehler wirken sich demnach weniger stark auf die Mediendichtheit des Brennstoffzellenstapels aus, so dass das Design insgesamt robuster ist.With the help of the proposed coating, the media diffusion from the inside to the outside can be reduced, so that a higher gas tightness is achieved. As a result, less gas is released into the environment from the fuel cell stack. The proposed coating is preferably applied in addition to at least one seal arranged between two adjacent fuel cells, so that the tightness requirements for this seal are reduced. Any manufacturing and / or assembly errors accordingly have less of an effect on the media tightness of the fuel cell stack, so that the design is more robust overall.

Gleiches gilt für den Fall, dass über die Beschichtung zugleich eine elektrische Isolierung bewirkt werden soll. Auch in diesem Zusammenhang fallen etwaige Fertigungs- und/oder Montagefehler weniger stark ins Gewicht. Die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses sinkt.The same applies in the event that electrical insulation is to be achieved at the same time via the coating. In this context, too, any manufacturing and / or assembly errors are less significant. The risk of an electrical short circuit is reduced.

Bevorzugt wird die Beschichtung im Bereich von Medieneinlass- und/oder Medienauslassöffnungen und/oder im Bereich von Kontaktelementen auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht. Ferner bevorzugt wird die Beschichtung allseitig und/oder unterbrechungsfrei aufgebracht, so dass sämtliche Außenflächen des Brennstoffzellenstapels beschichtet sind.The coating is preferably applied to the fuel cell stack in the area of media inlet and / or media outlet openings and / or in the area of contact elements. Furthermore, the coating is preferably applied on all sides and / or without interruption, so that all of the outer surfaces of the fuel cell stack are coated.

Die vorgeschlagene Beschichtung kann insbesondere durch Aufsprühen aufgebracht werden. Durch Aufsprühen kann eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmaterials auf dem Brennstoffzellenstapel erreicht werden. Zudem können vergleichsweise dünne Beschichtungen bzw. Schichten ausgebildet werden. Alternativ kann die Beschichtung in einem Tauchverfahren aufgebracht werden. Das Tauchverfahren ist insbesondere von Vorteil, wenn nahtlos bzw. unterbrechungsfrei aufgebracht werden soll. Beim Tauchen dringt das Beschichtungsmaterial in alle zugänglichen Zwischenräume ein, so dass eine besonders dichte Beschichtung ausgebildet wird.The proposed coating can in particular be applied by spraying. A uniform distribution of the coating material on the fuel cell stack can be achieved by spraying on. You can also comparatively thin coatings or layers are formed. Alternatively, the coating can be applied in a dipping process. The immersion process is particularly advantageous when the application is to be applied seamlessly or without interruption. When immersed, the coating material penetrates into all accessible spaces so that a particularly dense coating is formed.

Sofern die Beschichtung durch Aufsprühen aufgebracht wird, wird vorzugsweise zum Aufbringen der Beschichtung mindestens eine Düse verwendet, wobei die Düse in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel oder der Brennstoffzellenstapel in Bezug auf die Düse bewegt wird. Auf diese Weise kann die Beschichtung in einem kontinuierlichen Sprühvorgang auf unterschiedliche Seiten des Brennstoffzellenstapels aufgebracht werden. Der Sprühvorgang kann auch kurzfristig unterbrochen werden, um die Düse oder den Brennstoffzellenstapel zu bewegen. Die Bewegung kann jeweils eine lineare Bewegung und/oder eine Drehbewegung sein. Die Düse kann hierzu an einem Roboterarm angeordnet sein.If the coating is applied by spraying, at least one nozzle is preferably used to apply the coating, the nozzle being moved in relation to the fuel cell stack or the fuel cell stack being moved in relation to the nozzle. In this way, the coating can be applied to different sides of the fuel cell stack in a continuous spraying process. The spraying process can also be briefly interrupted in order to move the nozzle or the fuel cell stack. The movement can in each case be a linear movement and / or a rotary movement. For this purpose, the nozzle can be arranged on a robot arm.

Sofern der Brennstoffzellenstapel beim Beschichten bewegt wird, kann dies mit Hilfe eines Transportbands und/oder einer Drehstation bewirkt werden. Das Transportband ermöglicht eine lineare und die Drehstation eine rotierende Bewegung des Brennstoffzellenstapels. Beim Bewegen des Brennstoffzellenstapels kann das Aufsprühen des Beschichtungsmaterials kurzzeitig unterbrochen werden, um beispielsweise den Brennstoffzellenstapel neu auszurichten.If the fuel cell stack is moved during coating, this can be achieved with the aid of a conveyor belt and / or a turning station. The conveyor belt enables a linear movement of the fuel cell stack and the rotating station a rotating movement. When the fuel cell stack is moved, the spraying of the coating material can be briefly interrupted, for example in order to realign the fuel cell stack.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel mit einem Polymermaterial beschichtet. Polymermaterialien weisen dank hoher Adhäsionskräfte eine gute Haftung sowohl auf metallischen als auch auf polymeren Materialien auf. Bei dem Polymermaterial kann es sich insbesondere um ein anorganisch gefülltes Epoxid handeln. Epoxide weisen eine hohe Medienbeständigkeit auf, so dass eine hohe Dichtheit erzielt wird. Die anorganische Füllung, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂), erhöht die Robustheit der Beschichtung.According to a preferred embodiment of the invention, the fuel cell stack is coated with a polymer material. Thanks to their high adhesive forces, polymer materials have good adhesion to both metallic and polymeric materials. The polymer material can in particular be an inorganically filled epoxy. Epoxies have a high level of media resistance, so that a high level of impermeability is achieved. The inorganic filling, for example made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and / or silicon dioxide (SiO ₂ ), increases the robustness of the coating.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Brennstoffzellenstapel mit einem Silikonmaterial beschichtet, das vorzugsweise nach dem Beschichten einer Plasmabehandlung unterzogen wird. Durch die nachträgliche Plasmabehandlung bildet sich auf der Oberfläche eine Oxidschicht aus, das heißt es entsteht eine Siliciumdioxid (SiO₂)-Schicht, die eine erhöhte Barrierewirkung für den Gasdurchtritt besitzt, so dass die Barrierefunktion der Beschichtung optimiert wird.According to a further preferred embodiment, the fuel cell stack is coated with a silicone material, which is preferably subjected to a plasma treatment after the coating. The subsequent plasma treatment forms an oxide layer on the surface, i.e. a silicon dioxide (SiO ₂ ) layer is created, which has an increased barrier effect for the passage of gas, so that the barrier function of the coating is optimized.

Die vorgeschlagene Beschichtung kann ein- oder mehrlagig aufgebracht werden. Die mehrlagige Aufbringung besitzt den Vorteil, dass der Aufbau der Beschichtung variiert werden kann. Beispielsweise können die einzelnen Lagen aus unterschiedlichen Beschichtungszusammensetzungen hergestellt werden. Auf diese Weise kann jeder Lage eine bestimmte Funktion zugeordnet werden und die für diese Funktion am besten geeignete Beschichtungszusammensetzung gewählt werden. Die unterschiedlichen Beschichtungszusammensetzungen können sich hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe unterscheiden. Es können aber auch die gleichen Inhaltsstoffe jedoch in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen verwendet werden. Das Mischungsverhältnis kann auch während der Ausbildung einer einlagigen Schicht oder einer einzigen Lage einer mehrlagigen Schicht verändert werden.The proposed coating can be applied in one or more layers. The multi-layer application has the advantage that the structure of the coating can be varied. For example, the individual layers can be produced from different coating compositions. In this way, each layer can be assigned a specific function and the most suitable coating composition can be selected for this function. The different coating compositions can differ in terms of their ingredients. However, the same ingredients can also be used in different mixing ratios. The mixing ratio can also be changed during the formation of a single layer or a single layer of a multi-layer layer.

Sofern eine mehrlagige Beschichtung aufgebracht wird, weist vorzugsweise eine weiter außen liegende Lage einen höheren Elastizitätsmodul als eine weiter innen angeordnete Lage auf. Der Aufbau der Beschichtung ist somit derart gewählt, dass der Elastizitätsmodul von innen nach außen größer wird. Das heißt, dass die Elastizität von innen nach außen sinkt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn den einzelnen Lagen der Beschichtung unterschiedliche Funktionen zugeordnet werden. Beispielsweise kann eine innen liegende vergleichsweise elastische Lage der Beschichtung die Funktion der elektrischen Isolation übernehmen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Beschichtungsmaterial derart aufgebracht wird, dass ein Teil zwischen die Kontaktelemente (z.B. Bipolarplatten) der einzelnen Brennstoffzellen gelangt. Die relativ „weiche“ Schicht vermag in diesem Fall die thermomechanischen Bewegungen der Kontaktelemente aufzunehmen. Eine weiter außen liegende Lage mit einer geringeren Elastizität kann insbesondere zur Ausbildung einer Medienbarriere verwendet werden.If a multi-layer coating is applied, a layer further outside preferably has a higher modulus of elasticity than a layer further inside. The structure of the coating is thus chosen in such a way that the modulus of elasticity increases from the inside out. This means that the elasticity decreases from the inside out. This is particularly advantageous if the individual layers of the coating are assigned different functions. For example, a comparatively elastic layer of the coating on the inside can take over the function of electrical insulation. This is particularly true when the coating material is applied in such a way that part of it gets between the contact elements (e.g. bipolar plates) of the individual fuel cells. In this case, the relatively “soft” layer is able to absorb the thermomechanical movements of the contact elements. A layer further outwards with a lower elasticity can be used in particular to form a media barrier.

Wie bereits erwähnt, kann die Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials bereichs- und/oder lagenweise variiert werden. Beispielsweise kann die Variation darin bestehen, den Füllstoffgehalt, die Füllstoffart und/oder die Vernetzungsdichte des Polymermaterials zu ändern. Das heißt, dass ggf. das gleiche Ausgangsmaterial und die gleichen Additive verwendet werden, diese jedoch lediglich hinsichtlich ihres Mischungsverhältnisses verändert werden. Durch Variation des Füllstoffgehalts, der Füllstoffart und/oder der Vernetzungseigenschaften des Polymermaterials können bestimmte Eigenschaften der Beschichtung oder einer einzelnen Lage der Beschichtung, wie beispielsweise der Elastizitätsmodul und/oder der Ausdehnungskoeffizient, graduell verändert werden.As already mentioned, the composition of the coating material can be varied in areas and / or in layers. For example, the variation can consist in changing the filler content, the type of filler and / or the crosslinking density of the polymer material. This means that, if necessary, the same starting material and the same additives are used, but these are only changed with regard to their mixing ratio. By varying the filler content, the type of filler and / or the crosslinking properties of the polymer material, certain properties of the coating or an individual layer of the coating, such as the modulus of elasticity and / or the coefficient of expansion, can be changed gradually.

Die Variation der Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials kann beispielsweise mit Hilfe einer entsprechenden Dosiertechnik realisiert werden, mittels welcher die Menge der Ausgangsstoffe und/oder Additive, die einer Aufbringungsvorrichtung zugeführt werden, steuerbar ist. Bei der Aufbringungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Düse einer Sprühvorrichtung handeln.The variation in the composition of the coating material can be implemented, for example, with the aid of a corresponding metering technique, by means of which the amount of starting materials and / or additives that are fed to an application device can be controlled. The application device can be, for example, a nozzle of a spray device.

Die Beschichtung wird vorzugsweise in einem Temperierschritt getrocknet und/oder ausgehärtet. Durch Temperieren, insbesondere Erwärmen, kann der Vorgang des Trocknens und/oder des Aushärtens beschleunigt werden. Vorzugsweise wird der Temperierschritt beim (in der Regel ohnehin notwendigen) Konditionieren des Brennstoffzellenstapels durchgeführt, so dass noch mehr Zeit eingespart wird. Weiterhin vorzugsweise erfolgt das Temperieren bzw. Konditionieren bei einer Temperatur von etwa 80°C und/oder über eine Dauer von 30 bis 240 Minuten. Bei diesen Parametern lässt sich das vorgeschlagene Herstellverfahren besonders effizient durchführen. Die Temperatur von etwa 80°C entspricht der üblichen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und damit der beim Konditionieren üblicherweise verwendeten Temperatur. Die Dauer des Konditioniervorgangs beträgt üblicherweise 30 bis 240 Minuten, was ausreichen sollte, um die Beschichtung des Brennstoffzellenstapels zu trocknen bzw. auszuhärten.The coating is preferably dried and / or cured in a tempering step. The process of drying and / or curing can be accelerated by tempering, in particular heating. The temperature control step is preferably carried out during the conditioning of the fuel cell stack (which is usually necessary anyway), so that even more time is saved. The tempering or conditioning is also preferably carried out at a temperature of about 80 ° C. and / or over a period of 30 to 240 minutes. The proposed manufacturing method can be carried out particularly efficiently with these parameters. The temperature of about 80 ° C. corresponds to the usual operating temperature of the fuel cell stack and thus to the temperature usually used during conditioning. The duration of the conditioning process is usually 30 to 240 minutes, which should be sufficient to dry or cure the coating of the fuel cell stack.

Der darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen, beispielsweise Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, in gestapelter Anordnung. Erfindungsgemäß ist außen auf den Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise eine ein- oder mehrlagige Beschichtung aus einem Polymermaterial, insbesondere aus einem anorganisch gefüllten Epoxid, oder aus einem Silikonmaterial aufgebracht. Die Beschichtung verbessert -je nach Zusammensetzung - die Mediendichtheit und/oder elektrische Isolation des Brennstoffzellenstapels, so dass die eingangs genannten Nachteile des Stands der Technik behoben oder zumindest gemindert werden. Die Beschichtung kann insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht worden sein, so dass der Brennstoffzellenstapel vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist.The fuel cell stack also proposed comprises a plurality of fuel cells, for example proton exchange membrane fuel cells, in a stacked arrangement. According to the invention, a single or multi-layer coating made of a polymer material, in particular made of an inorganically filled epoxy, or made of a silicone material is applied to the outside of the fuel cell stack, at least in some areas. Depending on its composition, the coating improves the media tightness and / or electrical insulation of the fuel cell stack, so that the disadvantages of the prior art mentioned at the beginning are eliminated or at least reduced. The coating can in particular have been applied by a method according to the invention, so that the fuel cell stack can be produced in a comparatively simple and inexpensive manner.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels beim Beschichten gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels beim Beschichten gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels beim Beschichten gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Verfahrens a) auf einem Transportband, b) auf einer Drehstation und c) auf einem Transportband,
4 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels beim Beschichten gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Verfahrens a) beim Beschichten mit einem Silikonmaterial, b) nach der Plasmabehandlung und c) Detail des Aufbaus der Beschichtung im Querschnitt,
5 graphische Darstellung der Verringerung der Gasdiffusionsdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Länge einer Plasmabehandlung für die Gase a) Kohlenstoffdioxid (CO₂) und b) Sauerstoff (O₂),
6 schematische Darstellung einer Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
7 graphische Darstellung der Änderung der Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials über die Zeit.

Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 a schematic view of a fuel cell stack during coating according to a first method according to the invention,
2 a schematic view of a fuel cell stack during coating according to a second method according to the invention,
3 a schematic view of a fuel cell stack during coating according to a third method according to the invention a) on a conveyor belt, b) on a turning station and c) on a conveyor belt,
4th a schematic view of a fuel cell stack during coating according to a fourth method according to the invention a) during coating with a silicone material, b) after the plasma treatment and c) detail of the structure of the coating in cross section,
5 graphical representation of the reduction in gas diffusion permeability as a function of the length of a plasma treatment for the gases a) carbon dioxide (CO ₂ ) and b) oxygen (O ₂ ),
6th schematic representation of a coating device for carrying out a method according to the invention and
7th graphical representation of the change in the composition of the coating material over time.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellenstapel 1 zu entnehmen, der eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 2 in gestapelter Anordnung aufweist. Die einzelnen Brennstoffzellen können unmittelbar und/oder mittelbar über eine Struktur (10) verbunden sein. Vorliegend weist der dargestellte Brennstoffzellenstapel 1 eine gehäuseähnliche Struktur (10) auf. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1 wird nach der Montage eine ein- oder mehrlagige Beschichtung 3 auf die Struktur 10 des Brennstoffzellenstapels 1 aufgebracht. Hierzu kann das in der 1 dargestellte Verfahren oder ein Verfahren gemäß der nachfolgenden Figuren angewendet werden.Of the 1 is a schematic representation of a fuel cell stack 1 can be seen from the large number of individual fuel cells 2 having in a stacked arrangement. The individual fuel cells can be used directly and / or indirectly via a structure ( 10 ) be connected. In the present case, the fuel cell stack shown has 1 a housing-like structure ( 10 ) on. For the production of a fuel cell stack according to the invention 1 becomes a single or multi-layer coating after assembly 3 on the structure 10 of the fuel cell stack 1 upset. This can be done in the 1 illustrated method or a method according to the following figures can be used.

Bei dem in der 1 dargestellten Verfahren wird ein Beschichtungsmaterial 7 auf die Struktur 10 aufgesprüht. Hierzu wird eine Sprühvorrichtung mit einer Düse 4 verwendet. Um die Beschichtung 3 allseitig auszubilden, wird beim Aufsprühen des Beschichtungsmaterials 7 der Brennstoffzellenstapel 1 relativ zur Düse 4 bewegt, insbesondere gedreht (siehe Pfeil).The one in the 1 The illustrated method is a coating material 7th on the structure 10 sprayed on. A spray device with a nozzle is used for this purpose 4th used. To the coating 3 to be formed on all sides when the coating material is sprayed on 7th the fuel cell stack 1 relative to the nozzle 4th moved, especially rotated (see arrow).

Bei dem in der 2 dargestellten Verfahren verhält es sich umgekehrt. Hier wird das Beschichtungsmaterial 7 ebenfalls mit einer Düse 4 auf den Brennstoffzellenstapel 1 aufgesprüht, aber nicht der Brennstoffzellenstapel 1 wird beim Aufsprühen bewegt, sondern die Düse 4 wird um den Brennstoffzellenstapel 1 herum geführt (siehe Pfeil).The one in the 2 The procedure shown is the other way around. This is where the coating material becomes 7th also with a nozzle 4th on the fuel cell stack 1 sprayed on, but not the fuel cell stack 1 is moved when spraying, but the nozzle 4th is around the fuel cell stack 1 around (see arrow).

Beim Aufbringen der Beschichtung kann der Brennstoffzellenstapel 1 auch linear bewegt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Transportbands 5. Dieses Verfahren ist beispielhaft in der 3 dargestellt. In der 3a) wird der Brennstoffzellenstapel 1 an mehreren Düsen 4 vorbeigeführt, mittels welcher unterschiedliche Seiten des Brennstoffzellenstapels 1 beschichtet werden. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel 1 mit Hilfe einer Drehstation 6 gedreht (3b)) und an ein weiteres Transportband 5 übergeben, mittels dessen der Brennstoffzellenstapel 1 an weiteren Düsen 4 vorbeigeführt wird (3c)), um die noch fehlenden Seiten zu beschichten.When the coating is applied, the fuel cell stack 1 can also be moved linearly, for example with the help of a conveyor belt 5 . This procedure is exemplified in 3 shown. In the 3a) becomes the fuel cell stack 1 on several nozzles 4th by means of which different sides of the fuel cell stack 1 be coated. Then the fuel cell stack 1 with the help of a turning station 6th turned ( 3b) ) and to another conveyor belt 5 passed, by means of which the fuel cell stack 1 on other nozzles 4th is led past ( 3c )) to coat the missing sides.

Ein weiteres Verfahren ist in der 4 dargestellt. In einem ersten Schritt ( 4a)) wird eine Beschichtung 3 aus einem Silikonmaterial auf dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgebildet und anschließend der Brennstoffzellenstapel 1 einer Plasmabehandlung unterzogen (4b)). Durch die Plasmabehandlung bildet sich auf einer Beschichtungsbasis 3.1 eine Beschichtungsoberfläche 3.2 bestehend aus einer Oxidschicht aus (4c)). Durch die Oxidschicht wird die Barrierewirkung der Beschichtung 3 und damit die Mediendichtheit weiter verbessert. Die Barrierewirkung einer Oxidschicht für Gase ist beispielhaft den Diagrammen der 5 zu entnehmen, und zwar in der 5a) für das Gas Kohlenstoffdioxid und in der 5b) für Sauerstoff. Die Diagramme zeigen deutlich, dass die Gaspermeabilität stark abfällt.Another method is in the 4th shown. In a first step ( 4a) ) becomes a coating 3 made of a silicone material on the fuel cell stack 1 formed and then the fuel cell stack 1 subjected to a plasma treatment ( 4b) ). The plasma treatment forms on a coating basis 3.1 a coating surface 3.2 consisting of an oxide layer of ( 4c )). The barrier effect of the coating is created by the oxide layer 3 and thus the media tightness is further improved. The barrier effect of an oxide layer for gases is exemplified in the diagrams of 5 can be found in the 5a) for the gas carbon dioxide and in the 5b) for oxygen. The diagrams clearly show that the gas permeability drops sharply.

6 zeigt eine Düse 4 für eine Sprühvorrichtung zum Beschichten eines Brennstoffzellenstapels 1. Die Düse 4 bildet zugleich eine Mischeinrichtung aus, der über eine erste Dosiereinrichtung 8 eine erste Komponente A und über eine zweite Dosiereinrichtung 9 eine zweite Komponente B zuführbar ist, so dass beide Komponenten A, B in der Düse 4 zu einer Beschichtungszusammensetzung 7 vermischt werden. Die jeweils zugeführte Menge einer Komponente kann über die Dosiereinrichtungen 8, 9 gesteuert werden, so dass während des Beschichtens die Zusammensetzung des über die Düse 4 auszubringenden Beschichtungsmaterials 7 variiert werden kann. 6th shows a nozzle 4th for a spray device for coating a fuel cell stack 1 . The nozzle 4th at the same time forms a mixing device that has a first metering device 8th a first component A. and a second metering device 9 a second component B. is feedable so that both components A. , B. in the nozzle 4th to a coating composition 7th be mixed. The amount of a component supplied in each case can be determined via the metering devices 8th , 9 can be controlled so that during coating the composition of the nozzle 4th to be applied coating material 7th can be varied.

Wie beispielhaft in der 7 dargestellt, kann graduell die Menge an Komponente A runtergefahren werden, während gleichzeitig die Menge an Komponente B gesteigert wird. Das heißt, dass der Volumenstrom beider Komponenten während des Beschichtens verändert wird. Auf diese Weise wird eine graduelle Änderung der Zusammensetzung des Beschichtungsmaterial 7 erreicht. Die Änderung des Volumenstroms muss nicht - wie beispielshaft in der 7 dargestellt - linear sein, sondern kann auch einen anderen Verlauf aufweisen.As exemplified in the 7th shown, can gradually increase the amount of component A. be shut down while simultaneously reducing the amount of component B. is increased. This means that the volume flow of both components is changed during coating. In this way, there is a gradual change in the composition of the coating material 7th achieved. The change in the volume flow does not have to be - as is the case in the example 7th shown - be linear, but can also have a different course.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102004048525 A1 [0003]

Claims

Method for producing a fuel cell stack (1), in which several fuel cells (2), for example proton exchange membrane fuel cells, are stacked on top of one another and connected, characterized in that on the outside of the fuel cell stack (1) at least some areas of a coating (3) as a seal and / or electrical insulation is applied.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the coating (3) is applied by spraying or in a dipping process.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least one nozzle (4) is used to apply the coating (3) and the nozzle (4) is moved in relation to the fuel cell stack (1) or the fuel cell stack (1) in relation to the nozzle (4) .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack (1) is moved during coating with the aid of a conveyor belt (5) and / or a turning station (6).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack (1) is coated with a polymer material, in particular with an inorganically filled epoxy.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack (1) is coated with a silicone material, which is preferably subjected to a plasma treatment after the coating.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coating (3) is applied in one or more layers, with a layer further outward preferably having a higher modulus of elasticity than a layer further inward.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the composition of the coating material (7) is varied in areas and / or layers, for example by varying the filler content, the filler type and / or the crosslinking density of the polymer material.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coating (3) is dried and / or cured in a tempering step, preferably when conditioning the fuel cell stack (1), further preferably at a temperature of about 80 ° C and / or above a duration of 30 to 240 minutes.

Fuel cell stack (1), comprising a plurality of fuel cells (2), for example proton exchange membrane fuel cells, in a stacked arrangement, characterized in that on the outside of the fuel cell stack (1), at least in some areas, a single or multi-layer coating (3) made of a polymer material, in particular of a inorganically filled epoxy, or from a silicone material is applied.