DE102020215202A1 - Bipolar plate assembly and method of manufacturing a component assembly for a fuel cell - Google Patents

Bipolar plate assembly and method of manufacturing a component assembly for a fuel cell Download PDF

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Martin Gerlach
Anton Ringel
David Thomann
Andreas Ringk
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend die Schritte: Bereitstellen einer Bipolarplatte (11) mit einer Oberseite (12) und einer Unterseite (13) sowie einem Klebemittel (16) auf der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), Bereitstellen einer oberen Gasdiffusionsschicht (14) an der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder einer unteren Gasdiffusionsschicht (15) an der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), sodass das Klebemittel (16) sandwichartig zwischen der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und der oberen Gasdiffusionsschicht (14) und/oder zwischen der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) und der unteren Gasdiffusionsschicht (14) positioniert ist, und Heißpressen der oberen Gasdiffusionsschicht (14) an die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder der unteren Gasdiffusionsschicht (15) an die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) mit einer Pressvorrichtung (20) zum Herstellen einer stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht (14) und der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht (15) und der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11). Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatteneinheit für die Verwendung beim Herstellen einer Bauteilanordnung (10) gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren.

Figure DE102020215202A1_0000
The present invention relates to a method for producing a component arrangement (10) for a fuel cell, comprising the steps: providing a bipolar plate (11) with an upper side (12) and an underside (13) and an adhesive (16) on the upper side (12 ) the bipolar plate (11) and/or on the underside (13) of the bipolar plate (11), providing an upper gas diffusion layer (14) on the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or a lower gas diffusion layer (15) on the Bottom (13) of the bipolar plate (11) such that the adhesive (16) is sandwiched between the top (12) of the bipolar plate (11) and the upper gas diffusion layer (14) and/or between the bottom (13) of the bipolar plate (11) and the bottom gas diffusion layer (14), and hot pressing the top gas diffusion layer (14) to the top (12) of the bipolar plate (11) and/or the bottom gas diffusion layer (15) to the bottom (13) of the bipolar plate (11) with a pressing device (20) for producing an adhesive bond between the upper gas diffusion layer (14) and the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or between the lower gas diffusion layer (15) and the underside (13) of the bipolar plate (11). The invention also relates to a bipolar plate unit for use in manufacturing a component arrangement (10) according to a method according to the invention.
Figure DE102020215202A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung für eine Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft ferner eine Bipolarplatteneinheit, die als Funktionsbauteil bei der Herstellung einer Bauteilanordnung für eine Brennstoffzelle verwendet werden kann.The present invention relates to a method for producing a component arrangement for a fuel cell. The invention also relates to a bipolar plate unit that can be used as a functional component in the manufacture of a component arrangement for a fuel cell.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandeln. Wesentlicher Bestandteil von Brennstoffzellen sind Bipolarplatten und Gasdiffusionsschichten, welche im Schichtaufbau aneinandergrenzend angeordnet sind. Zum Herstellen eines möglichst stabilen Schichtverbunds zwischen Bipolarplatte und Gasdiffusionsschicht sind verschiedene Ansätze bekannt. Insbesondere ist es bekannt, die Bipolarplatte stoffschlüssig mit der Gasdiffusionsschicht zu verbinden. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 046 461 A1 gehen unterschiedliche Ansätze zum Verbinden verschiedener Funktionsschichten mit der Bipolarplatte unter Verwendung von Klebstoff hervor. Insbesondere zum Anbinden einer Gasdiffusionsschicht an die Bipolarplatte sind die bislang bekannten Lösungen hinsichtlich der Verbindungsstabilität sowie der Logistik zum Herstellen des gewünschten Materialverbunds jedoch noch nicht zufriedenstellend.Fuel cells are galvanic cells that convert the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidant into electrical energy. An essential component of fuel cells are bipolar plates and gas diffusion layers, which are arranged adjacent to one another in the layer structure. Various approaches are known for producing a layered bond between the bipolar plate and the gas diffusion layer that is as stable as possible. In particular, it is known to bond the bipolar plate to the gas diffusion layer. From the German patent application DE 10 2005 046 461 A1 disclose different approaches to connecting different functional layers to the bipolar plate using adhesive. However, in particular for connecting a gas diffusion layer to the bipolar plate, the previously known solutions are not yet satisfactory with regard to the connection stability and the logistics for producing the desired material composite.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden nun ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung für eine Brennstoffzelle sowie eine Bipolarplatteneinheit zum Verwenden bei einem solchen Verfahren zur Verfügung gestellt. Insbesondere werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Bipolarplatteneinheit gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatteneinheit und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.Within the scope of the present invention, a method for producing a component arrangement for a fuel cell and a bipolar plate unit for use in such a method are now provided. In particular, a method according to claim 1 and a bipolar plate assembly according to claim 10 are proposed. Further embodiments of the invention result from the dependent claims, the description and the figures. Features that are described in connection with the method also apply, of course, in connection with the bipolar plate unit according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is and/or can always be referred to reciprocally.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung für eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

  • - Bereitstellen einer Bipolarplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite sowie einem Klebemittel auf der Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte,
  • - Bereitstellen einer oberen Gasdiffusionsschicht an der Oberseite der Bipolarplatte und/oder einer unteren Gasdiffusionsschicht an der Unterseite der Bipolarplatte, sodass das Klebemittel sandwichartig zwischen der Oberseite der Bipolarplatte und der oberen Gasdiffusionsschicht und/oder zwischen der Unterseite der Bipolarplatte und der unteren Gasdiffusionsschicht positioniert ist, und
  • - Heißpressen der oberen Gasdiffusionsschicht an die Oberseite der Bipolarplatte und/oder der unteren Gasdiffusionsschicht an die Unterseite der Bipolarplatte mit einer Pressvorrichtung zum Herstellen einer stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht und der Oberseite der Bipolarplatte und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Bipolarplatte.
According to a first aspect of the present invention, a method for manufacturing a component assembly for a fuel cell is provided. The procedure has the following steps:
  • - providing a bipolar plate with a top and a bottom and an adhesive on the top of the bipolar plate and / or on the bottom of the bipolar plate,
  • - providing an upper gas diffusion layer on top of the bipolar plate and/or a lower gas diffusion layer on the underside of the bipolar plate, so that the adhesive is sandwiched between the upper side of the bipolar plate and the upper gas diffusion layer and/or between the underside of the bipolar plate and the lower gas diffusion layer, and
  • - Hot pressing the upper gas diffusion layer to the top of the bipolar plate and/or the lower gas diffusion layer to the underside of the bipolar plate with a pressing device to produce a material bonded adhesive bond between the upper gas diffusion layer and the top of the bipolar plate and/or between the lower gas diffusion layer and the underside of the bipolar plate .

Damit wird ein Verfahren zum schnellen, einfachen und robusten Befestigen und/oder mechanischen Fixieren von wenigstens einer Gasdiffusionsschicht an der Bipolarplatte zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei welchen Klebstoff über eine Sandwichstruktur, bspw. innerhalb einer Dichtfolie, bereitgestellt wird, wird das Klebemittel vorliegend bevorzugt direkt auf der Bipolarplatte bzw. direkt auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte bereitgestellt. D. h., es wird insbesondere eine Bipolarplatte bereitgestellt, bei welcher das Klebemittel direkt an der Oberseite und/oder an der Unterseite der Bipolarplatte aufgetragen wird oder ist. Die Gasdiffusionsschicht wird anschließend ebenfalls direkt am Klebemittel positioniert. Durch den direkten Kontakt des Klebemittels zur Bipolarplatte und zur jeweiligen Gasdiffusionsschicht kann ein stabiler und platzsparender Stoffverbund zwischen der Bipolarplatte und der jeweiligen Gasdiffusionsschicht geschaffen werden.A method for fast, simple and robust fastening and/or mechanical fixing of at least one gas diffusion layer on the bipolar plate is thus made available. In contrast to known methods in which adhesive is provided via a sandwich structure, for example within a sealing film, the adhesive is preferably provided directly on the bipolar plate or directly on the top and/or bottom of the bipolar plate. In other words, a bipolar plate is provided in particular, in which the adhesive is or is applied directly to the upper side and/or to the underside of the bipolar plate. The gas diffusion layer is then also positioned directly on the adhesive. Due to the direct contact of the adhesive to the bipolar plate and to the respective gas diffusion layer, a stable and space-saving composite material can be created between the bipolar plate and the respective gas diffusion layer.

Das Klebemittel wird bevorzugt nur auf einem Teil der Bipolarplatte zur Verfügung gestellt. Eine mögliche Klebefläche des Klebemittels beträgt bspw. weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der Flächengröße der Oberseite und/oder der Unterseite.The adhesive is preferably only provided on a portion of the bipolar plate. A possible adhesive surface of the adhesive is, for example, less than 10%, in particular less than 5%, of the surface area of the upper side and/or the lower side.

Durch das Heißpressen der Gasdiffusionsschicht an die Oberseite und/oder an die Unterseite der Bipolarplatte bzw. in Richtung der Oberseite und/oder in Richtung der Unterseite der Bipolarplatte auf das Klebemittel kann das Klebemittel indirekt temperiert, aufgeschmolzen und/oder in den gewünschten Aggregatszustand gebracht werden. Durch ein abschließendes Abkühlen und/oder Trocknen des Klebemittels können die stoffschlüssige Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht und der Oberseite der Bipolarplatte und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Bipolarplatte hergestellt werden. D. h., die Gasdiffusionsschicht wird vorzugsweise in dem Bereich an die Bipolarplatte bzw. in Richtung der Bipolarplatte heißgepresst, in welchem bzw. in dessen Flucht das Klebemittel an der Bipolarplatte positioniert ist. Damit kann das Verfahren entsprechend effizient und effektiv durchgeführt werden.By hot pressing the gas diffusion layer onto the top and/or bottom of the bipolar plate or in the direction of the top and/or in the direction of the bottom of the bipolar plate onto the adhesive, the adhesive can be indirectly tempered, melted and/or brought into the desired state of aggregation . By a final cooling and / or drying of the adhesive, the material-locking adhesive bond between the upper gas diffusion layer and the top of the bipolar plate and/or between the lower gas diffusion layer and the bottom of the bipolar plate. In other words, the gas diffusion layer is preferably hot-pressed onto the bipolar plate in the area or in the direction of the bipolar plate, in which or in the alignment of which the adhesive is positioned on the bipolar plate. The method can thus be carried out correspondingly efficiently and effectively.

Unter dem Heißpressen kann eine Druckbeaufschlagung mit einer Temperatur, die über der Umgebungstemperatur liegt, verstanden werden. So kann die Pressvorrichtung wenigstens einen Heißstempel aufweisen, der für das Heißpressen auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 180°C und 220°C, insbesondere auf ca. 200°C, temperiert wird. Abhängig vom verwendeten Klebemittel können diese Temperaturen variieren. Das Heißpressen kann mit einem Heißstempel oder einer Pressvorrichtung mit mehreren Heißstempeln durchgeführt werden. Je nach Orientierung der Bipolarplatte kann unter der Oberseite auch eine Unterseite oder eine seitliche Seite verstanden werden. Entsprechend kann unter der Unterseite auch eine Oberseite oder eine andere seitliche Seite verstanden werden.Hot pressing can be understood to mean pressurization at a temperature above ambient temperature. Thus, the pressing device can have at least one hot stamp, which is tempered to a temperature in a range between 180° C. and 220° C., in particular to approx. 200° C., for the hot pressing. Depending on the adhesive used, these temperatures may vary. The hot pressing can be carried out with a hot stamp or a pressing device with multiple hot stamps. Depending on the orientation of the bipolar plate, the top side can also be understood to mean a bottom side or a lateral side. Correspondingly, the underside can also be understood as an upper side or another lateral side.

Das Klebemittel wird vorzugsweise mit einem Dispenser oder einem Jetter auf die Oberseite und/oder auf die Unterseite aufgetragen, bevor die Gasdiffusionsschicht an der Oberseite und/oder an der Unterseite positioniert wird. Damit kann das Klebemittel besonders flexibel an den gewünschten Stellen an der Oberseite und/oder an der Unterseite aufgetragen werden. Überschüssiges und/oder nicht erforderliches Klebemittel an und/oder in der Bauteilanordnung können verhindert werden. Damit kann das Klebemittel effizient und entsprechend kostengünstig verwendet werden.The adhesive is preferably applied to the upper side and/or the lower side using a dispenser or a jetter before the gas diffusion layer is positioned on the upper side and/or the lower side. The adhesive can thus be applied particularly flexibly at the desired locations on the top and/or on the bottom. Excess and/or unnecessary adhesive on and/or in the assembly of components can be prevented. The adhesive can thus be used efficiently and correspondingly inexpensively.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Klebemittel vor dem Heißpressen getrocknet wird und/oder vor dem Heißpressen eine Bipolarplatte mit getrocknetem Klebemittel auf der Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte bereitgestellt wird. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass durch das Heißpressen auch ein bereits getrocknetes und/oder ausgehärtetes Klebemittel verwendet werden kann, indem das Klebemittel während des Heißpressens wieder aufgeschmolzen wird und damit anschließend unter Verwendung des Klebemittels die gewünschte, stoffschlüssige Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht und der Oberseite der Bipolarplatte und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Bipolarplatte hergestellt wird. Durch die Verwendung eines getrockneten und/oder ausgehärteten Klebemittels kann der Herstellungsprozess zum Herstellen der Bauteilanordnung besonders flexibel gestaltet werden. Insbesondere muss keine Rücksicht auf etwaige Aushärtungszeiten und/oder unterschiedliche Aggregatszustände des Klebemittels genommen werden. Eine Bipolarplatte mit einem daran befestigten, bereits ausgehärteten Klebemittel führt außerdem zu logistischen Vorteilen. Derartige Bipolarplatten können bspw. in großer Stückzahl in Form von Halbzeug vorbereitet und für den späteren Einsatz gelagert werden.According to a further embodiment of the present invention, it is possible for the adhesive to be dried before hot pressing and/or for a bipolar plate with dried adhesive to be provided on the upper side of the bipolar plate and/or on the underside of the bipolar plate before hot pressing. In tests within the scope of the present invention, it has been found that hot pressing can also be used to use an adhesive that has already dried and/or hardened, in that the adhesive is melted again during hot pressing and the desired, materially bonded bond is then created using the adhesive the upper gas diffusion layer and the upper side of the bipolar plate and/or between the lower gas diffusion layer and the lower side of the bipolar plate. By using a dried and/or hardened adhesive, the manufacturing process for producing the component arrangement can be designed to be particularly flexible. In particular, there is no need to take any curing times and/or different aggregate states of the adhesive into account. A bipolar plate with an already cured adhesive attached to it also results in logistical advantages. Such bipolar plates can, for example, be prepared in large numbers in the form of semi-finished products and stored for later use.

Ferner ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Klebemittel punktförmig an unterschiedlichen Stellen auf die Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf die Unterseite der Bipolarplatte aufgetragen wird. Im Vergleich zu einem voll- oder teilflächigen Auftragen von Klebstoff an der Bipolarplatte kann damit Klebstoff eingespart werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass die Gasdiffusionsschicht trotzdem ausreichend stabil an der Bipolarplatte befestigt werden kann. Wird das Klebemittel punktförmig aufgetragen, wird zunächst die Bipolarplatte bereitgestellt. Anschließend wird das Klebemittel auf der Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte aufgetragen.It is also possible that in a method according to the invention the adhesive is applied in dots at different points on the upper side of the bipolar plate and/or on the underside of the bipolar plate. Adhesive can thus be saved in comparison to applying adhesive to the full or partial surface of the bipolar plate. Tests within the scope of the present invention have shown that the gas diffusion layer can nevertheless be attached to the bipolar plate with sufficient stability. If the adhesive is applied in dots, the bipolar plate is prepared first. The adhesive is then applied to the upper side of the bipolar plate and/or to the underside of the bipolar plate.

Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, dass als Klebemittel Schmelzklebstoff verwendet wird oder ein Klebemittel verwendet wird, das Schmelzklebstoff aufweist. Unter Schmelzklebstoff ist vorliegend insbesondere ein lösungsmittelfreier und bei Raumtemperatur mehr oder weniger fester Klebstoff zu verstehen, der im heißen Zustand auf eine Oberfläche aufgetragen wird und beim Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung mit der Oberfläche bzw. der zugehörigen Oberflächenschicht herstellt. Ein solcher, auch Hotmelt genannter Klebstoff weist insbesondere einen Schmelzpunkt in einem Bereich zwischen 80°C und 220°C auf. Das Verfestigen eines Schmelzklebstoffs findet in der Regel reversibel statt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass geeigneter Schmelzklebstoff bzw. das entsprechende Klebemittel in getrockneter und/oder ausgehärteter Form an der Bipolarplatte bereitgestellt und durch das Heißpressen ohne Qualitätsverlust hinsichtlich der Klebequalität für die gewünschte, stoffschlüssige Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht und der Oberseite der Bipolarplatte und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Bipolarplatte genutzt werden kann. D. h., auch wenn der Schmelzklebstoff bereits zum Auftragen an der Unterseite und/oder der Oberseite aufgeschmolzen und anschließend wieder getrocknet wurde, kann durch das Heißpressen und das daraus folgende erneute Aufschmelzen des Schmelzklebstoffs trotzdem noch die gewünschte, stabile Verbindung zwischen der Bipolarplatte und der wenigstens einen Gasdiffusionsschicht hergestellt werden.In a method according to the present invention, it is also possible for hot-melt adhesive to be used as the adhesive or for an adhesive to be used which has hot-melt adhesive. In the present case, hot-melt adhesive is to be understood in particular as a solvent-free adhesive that is more or less solid at room temperature, which is applied to a surface when hot and creates a material bond with the surface or the associated surface layer when it cools down. Such an adhesive, also known as a hotmelt, has in particular a melting point in a range between 80°C and 220°C. The solidification of a hot-melt adhesive is usually reversible. In the context of the present invention, it was recognized that a suitable hot-melt adhesive or the corresponding adhesive in dried and/or cured form can be provided on the bipolar plate and, by hot pressing, without any loss of quality in terms of the adhesive quality, for the desired, materially bonded adhesive connection between the upper gas diffusion layer and the upper side of the Can be used bipolar plate and / or between the lower gas diffusion layer and the bottom of the bipolar plate. That is, even if the hot-melt adhesive has already been melted on the underside and/or the top for application and then dried again, the desired, stable connection between the bipolar plate and the at least one gas diffusion layer are produced.

Darüber hinaus ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass das Klebemittel durch eine Injektionsvorrichtung auf die Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf die Unterseite der Bipolarplatte aufgetragen wird. Die Injektionsvorrichtung kann einen Jetter oder Dispenser aufweisen. Damit kann das Klebemittel, insbesondere in Form des vorstehend beschriebenen Schmelzklebstoffs, besonders schnell und flexibel auf die gewünschte Oberfläche aufgetragen werden. Wird das Klebemittel durch die Injektionsvorrichtung aufgetragen, wird zunächst die Bipolarplatte bereitgestellt. Anschließend wird das Klebemittel auf der Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte durch die Injektionsvorrichtung aufgetragen, insbesondere aufgespritzt.In addition, it is possible with a method according to the invention for the adhesive to be applied to the upper side of the bipolar plate and/or to the underside of the bipolar plate by means of an injection device. The injection device can have a jetter or dispenser. The adhesive, in particular in the form of the hot-melt adhesive described above, can thus be applied particularly quickly and flexibly to the desired surface. If the adhesive is applied through the injection device, the bipolar plate is provided first. The adhesive is then applied, in particular sprayed, on the upper side of the bipolar plate and/or on the underside of the bipolar plate by the injection device.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Klebemittel durch mehrere Injektionsvorrichtungen an unterschiedlichen Stellen auf die Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf die Unterseite der Bipolarplatte gleichzeitig aufgetragen wird. Damit kann das Klebemittel besonders schnell an der gewünschten Stelle an der Bipolarplatte bereitgestellt werden. Zum gleichzeitigen Auftragen des Klebemittels an unterschiedlichen Stellen können mehrere Injektionsvorrichtungen, bspw. mehrere Jetter, verwendet werden.According to a further embodiment variant of the present invention, it is possible for the adhesive to be applied at the same time to the upper side of the bipolar plate and/or to the lower side of the bipolar plate by means of a plurality of injection devices. The adhesive can thus be provided particularly quickly at the desired location on the bipolar plate. Multiple injection devices, for example multiple jetters, can be used to apply the adhesive to different locations at the same time.

Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn die Bipolarplatte bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Flussfeld und einen Randbereich außerhalb des Flussfeldes aufweist, wobei das Klebemittel im Randbereich, insbesondere ausschließlich im Randbereich, der Bipolarplatte aufgetragen wird. Unter dem Flussfeld ist ein Bereich auf der Bipolarplatte mit einer spezifischen Kanalstruktur zu verstehen, mit welcher Reaktionsgase wie Wasserstoff und Sauerstoff möglichst gleichmäßig über die sog. aktive Fläche zu einer Katalysatorschicht der Brennstoffzelle geführt werden können. Der Randbereich erstreckt sich wenigstens an den Längsseiten der Bipolarplatte neben dem Flussfeld. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass die Verwendung des Klebemittels im Randbereich der Bipolarplatte genügt, um eine ausreichend stabile, mechanische Verbindung zwischen der Bipolarplatte und der wenigstens einen Gasdiffusionsschicht herzustellen. Auf die Verwendung von Klebstoff bspw. auf Kanalstegen im Flussfeld kann verzichtet werden.It can be of further advantage if the bipolar plate in a method according to the present invention has a flow field and an edge area outside the flow field, with the adhesive being applied in the edge area, in particular exclusively in the edge area, of the bipolar plate. The flow field is an area on the bipolar plate with a specific channel structure, with which reaction gases such as hydrogen and oxygen can be guided as evenly as possible over the so-called active surface to a catalyst layer of the fuel cell. The edge area extends at least on the longitudinal sides of the bipolar plate next to the flow field. Tests within the scope of the present invention have shown that the use of the adhesive in the edge area of the bipolar plate is sufficient to produce a sufficiently stable, mechanical connection between the bipolar plate and the at least one gas diffusion layer. The use of adhesive, for example on channel webs in the flow field, can be dispensed with.

Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren das Heißpressen mit einem Druck zwischen 4 bar und 8 bar und/oder über eine Zeit zwischen 0,5 Sekunden und 1,5 Sekunden durchgeführt wird. Besonders gute Ergebnisse konnten mit Heißpressen bei einem Druck von ca. 6 bar und/oder über eine Zeit von ca. 1 Sekunde erzielt werden. D. h., die Gasdiffusionsschichten können mit einem entsprechenden Druck über die genannte Zeit an die jeweilige Außenseite der Bipolarplatte gepresst werden.In a further embodiment of the present invention it is possible that in a method the hot pressing is carried out with a pressure between 4 bar and 8 bar and/or for a time between 0.5 seconds and 1.5 seconds. Particularly good results could be achieved with hot pressing at a pressure of approx. 6 bar and/or over a period of approx. 1 second. In other words, the gas diffusion layers can be pressed against the respective outer side of the bipolar plate with a corresponding pressure for the specified time.

Weiterhin hat es sich als Vorteilhaft herausgestellt, wenn die Pressvorrichtung bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Heißstempel aufweist und, zum Herstellen der stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht und der Oberseite der Bipolarplatte und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht und der Unterseite der Bipolarplatte, die obere Gasdiffusionsschicht durch die Heißstempel an unterschiedlichen Stellen gleichzeitig an die Oberseite der Bipolarplatte und/oder die untere Gasdiffusionsschicht durch die Heißstempel an unterschiedlichen Stellen gleichzeitig an die Unterseite der Bipolarplatte heißgepresst werden. Damit kann das Verfahren schnell und entsprechend kostengünstig durchgeführt werden. Für das gleichzeitige Heißpressen kann die Bipolarplatte hochkant bzw. derart, dass der Normalenvektor der Oberseite und der Normalenvektor der Unterseite orthogonal zur Gravitationsrichtung zeigen, positioniert werden. Anschließend können die beiden Gasdiffusionsschichten gleichzeitig und insbesondere über die gleiche Zeitdauer und mit gleichem Druck an die Oberseite und die Unterseite der Bipolarplatte gepresst werden. Unter der oberen Gasdiffusionsschicht und der unteren Gasdiffusionsschicht kann in diesem Fall entsprechend jeweils eine seitliche Gasdiffusionsschicht verstanden werden.Furthermore, it has turned out to be advantageous if the pressing device has several hot stamps in a method according to the present invention and, for producing the materially bonded adhesive connection between the upper gas diffusion layer and the upper side of the bipolar plate and/or between the lower gas diffusion layer and the lower side of the bipolar plate, the upper gas diffusion layer is simultaneously hot-pressed by the hot stamps at different points on the upper side of the bipolar plate and/or the lower gas diffusion layer is simultaneously hot-pressed by the hot stamps at different points on the underside of the bipolar plate. The method can thus be carried out quickly and correspondingly inexpensively. For the simultaneous hot pressing, the bipolar plate can be positioned on edge or in such a way that the normal vector of the upper side and the normal vector of the lower side point orthogonally to the direction of gravity. The two gas diffusion layers can then be pressed onto the upper side and the lower side of the bipolar plate simultaneously and in particular for the same period of time and with the same pressure. In this case, the upper gas diffusion layer and the lower gas diffusion layer can respectively be understood as meaning a lateral gas diffusion layer.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Bipolarplatteneinheit für die Verwendung beim Herstellen einer Bauteilanordnung gemäß einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Verfahren zur Verfügung gestellt. Die Bipolarplatteneinheit weist eine Bipolarplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite sowie ein Klebemittel auf der Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf der Unterseite der Bipolarplatte auf, wobei das Klebemittel getrockneten Schmelzklebstoff aufweist oder in Form von getrocknetem Schmelzklebstoff bereitgestellt ist. Eine solche Bipolarplatteneinheit kann als Rohling für das vorstehend beschriebene Verfahren genutzt werden. Das Klebemittel bzw. der Klebstoff kann punktförmig an unterschiedlichen Stellen auf die Oberseite der Bipolarplatte und/oder auf die Unterseite der Bipolarplatte aufgetragen sein. Außerdem ist das Klebemittel bevorzugt im Randbereich der Bipolarplatte aufgetragen.According to another aspect of the present invention, there is provided a bipolar plate assembly for use in fabricating a device assembly according to a method as detailed above. The bipolar plate unit has a bipolar plate with a top and a bottom and an adhesive on the top of the bipolar plate and/or on the bottom of the bipolar plate, the adhesive having dried hot-melt adhesive or being provided in the form of dried hot-melt adhesive. Such a bipolar plate unit can be used as a blank for the method described above. The adhesive or the adhesive can be applied in dots at different points on the upper side of the bipolar plate and/or on the underside of the bipolar plate. In addition, the adhesive is preferably applied in the edge area of the bipolar plate.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.Further measures improving the invention result from the following Description of various embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the features and/or advantages resulting from the claims, the description or the figures, including structural details and spatial arrangements, can be essential to the invention both on their own and in the various combinations.

Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 bis 6 Darstellungen zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 7 eine Bipolarplatteneinheit zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
They each show schematically:
  • 1 until 6 Representations for explaining a method according to a preferred embodiment of the present invention and
  • 7 a bipolar plate assembly for use in a method according to the invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of operation are each provided with the same reference symbols in the figures.

Mit Bezug auf die 1 bis 6 wird anschließend ein Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.With reference to the 1 until 6 a method for producing a component arrangement for a fuel cell according to a preferred embodiment is then described.

1 zeigt eine Bipolarplatte 11 mit einer Oberseite 12 und einer Unterseite 13. Auf der Oberseite 13 sind ein Flussfeld 19 und ein Randbereich 18, der sich an der Längskante der Bipolarplatte 11 entlang des Flussfeldes 19 erstreckt, dargestellt bzw. angedeutet. Wie in 2 dargestellt, wird auf eine solche Bipolarplatte 11 zunächst ein Klebemittel 16 aufgetragen. Genauer gesagt wird das Klebemittel 16 in Form von Schmelzklebstoff durch mehrere Injektionsvorrichtungen 17 punktförmig an unterschiedlichen Stellen im Randbereich 18 auf der Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 aufgetragen. 1 shows a bipolar plate 11 with an upper side 12 and an underside 13. On the upper side 13, a flow field 19 and an edge area 18, which extends along the longitudinal edge of the bipolar plate 11 along the flow field 19, are shown or indicated. As in 2 shown, an adhesive 16 is first applied to such a bipolar plate 11 . To put it more precisely, the adhesive 16 in the form of a hot-melt adhesive is applied in dots at different points in the edge region 18 on the upper side 12 of the bipolar plate 11 using a plurality of injection devices 17 .

3 zeigt eine Bipolarplatteneinheit mit einer Bipolarplatte 11, wobei sich auf der Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 das Klebemittel 16 in Form von getrocknetem bzw. ausgehärtetem Schmelzklebstoff befindet. Auf dieser Bipolarplatteneinheit wird nun, wie in 4 gezeigt, eine obere Gasdiffusionsschicht 14 positioniert, sodass das Klebemittel 16 sandwichartig direkt zwischen der Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 und der oberen Gasdiffusionsschicht 14 positioniert ist. Nachdem sich die obere Gasdiffusionsschicht 14 in der gewünschten Position befindet wird, zum Herstellen einer stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht 14 und der Oberseite 12 der Bipolarplatte 11, die obere Gasdiffusionsschicht 14 mit einer Pressvorrichtung 20 an die Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 heißgepresst. Dies ist in 5 dargestellt. Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform weist die Pressvorrichtung 20 zum Herstellen der stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht 14 und der Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 sechs Heißstempel 21 auf, mit welchen die obere Gasdiffusionsschicht 14 an unterschiedlichen Stellen gleichzeitig an die Oberseite 12 der Bipolarplatte 11 heißgepresst wird. Während des Heißpressens wird der getrocknete Schmelzklebstoff erneut aufgeschmolzen und kann anschließend zu der gewünschten stoffschlüssigen Verbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht 14 und der Oberseite 12 beitragen. Das in 5 gezeigte Heißpressen wird bei einem Druck von ca. 6 bar über ca. 1 Sekunde durchgeführt. Die Temperatur der Heißstempel wird hierfür auf ca. 200°C eingestellt. 6 zeigt eine Bauteilanordnung 10, bei welcher der gewünschte Stoffschluss bzw. die entsprechende mechanische Fixierung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht 14 und der Oberseite 12 hergestellt wurde bzw. ist. 3 shows a bipolar plate unit with a bipolar plate 11, with the adhesive 16 in the form of dried or hardened hot-melt adhesive being located on the upper side 12 of the bipolar plate 11. On this bipolar plate unit, as in 4 As shown, an upper gas diffusion layer 14 is positioned such that the adhesive 16 is sandwiched directly between the top surface 12 of the bipolar plate 11 and the upper gas diffusion layer 14 . After the upper gas diffusion layer 14 is in the desired position, in order to produce an adhesive bond between the upper gas diffusion layer 14 and the upper side 12 of the bipolar plate 11, the upper gas diffusion layer 14 is hot-pressed with a pressing device 20 to the upper side 12 of the bipolar plate 11. this is in 5 shown. According to the 5 In the embodiment shown, the pressing device 20 has six hot stamps 21 for producing the adhesive bond between the upper gas diffusion layer 14 and the upper side 12 of the bipolar plate 11, with which the upper gas diffusion layer 14 is simultaneously hot-pressed at different points on the upper side 12 of the bipolar plate 11. During hot pressing, the dried hot-melt adhesive is melted again and can then contribute to the desired material connection between the upper gas diffusion layer 14 and the upper side 12 . This in 5 The hot pressing shown is carried out at a pressure of about 6 bar for about 1 second. For this purpose, the temperature of the hot stamp is set to approx. 200°C. 6 shows a component arrangement 10 in which the desired material connection or the corresponding mechanical fixation between the upper gas diffusion layer 14 and the upper side 12 has been or is produced.

7 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung 10 im Herstellungsprozess zeitlich kurz vor dem Verfahrensschritt des Heißpressens. Wie mit Blick auf 7 zu erkennen ist, werden die obere bzw. linke Gasdiffusionsschicht 14 und die untere bzw. rechte Gasdiffusionsschicht 15 kurz nach der in 7 gezeigten Phase durch die Heißstempel 21 gleichzeitig an die jeweilige Außenseite der Bipolarplatte 11 heißgepresst, wodurch das Klebemittel 16 in Form des Schmelzklebstoffs aufgeschmolzen wird. Daraufhin bzw. sobald der Schmelzklebstoff wieder trocknet, wird der gewünschte Stoffschluss zwischen den Gasdiffusionsschichten 14, 15 und der Bipolarplatte 11 hergestellt. 7 shows a cross section through a component arrangement 10 according to the invention in the production process shortly before the hot-pressing process step. Like facing 7 can be seen, the upper or left gas diffusion layer 14 and the lower or right gas diffusion layer 15 shortly after the in 7 shown phase simultaneously hot-pressed by the hot stamp 21 on the respective outside of the bipolar plate 11, whereby the adhesive 16 is melted in the form of hot-melt adhesive. Thereupon, or as soon as the hot-melt adhesive dries again, the desired material connection between the gas diffusion layers 14, 15 and the bipolar plate 11 is established.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.In addition to the illustrated embodiments, the invention permits further design principles. That is, the invention should not be considered limited to the exemplary embodiments explained with reference to the figures.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102005046461 A1 [0002]DE 102005046461 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zum Herstellen einer Bauteilanordnung (10) für eine Brennstoffzelle, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen einer Bipolarplatte (11) mit einer Oberseite (12) und einer Unterseite (13) sowie einem Klebemittel (16) auf der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), - Bereitstellen einer oberen Gasdiffusionsschicht (14) an der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder einer unteren Gasdiffusionsschicht (15) an der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), sodass das Klebemittel (16) sandwichartig zwischen der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und der oberen Gasdiffusionsschicht (14) und/oder zwischen der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) und der unteren Gasdiffusionsschicht (14) positioniert ist, und - Heißpressen der oberen Gasdiffusionsschicht (14) an die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder der unteren Gasdiffusionsschicht (15) an die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) mit einer Pressvorrichtung (20) zum Herstellen einer stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht (14) und der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht (15) und der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11).Method for producing a component arrangement (10) for a fuel cell, comprising the steps: - Providing a bipolar plate (11) with a top (12) and a bottom (13) and an adhesive (16) on the top (12) of the bipolar plate (11) and/or on the bottom (13) of the bipolar plate (11) , - providing a top gas diffusion layer (14) on the top (12) of the bipolar plate (11) and/or a bottom gas diffusion layer (15) on the bottom (13) of the bipolar plate (11) such that the adhesive (16) is sandwiched between the top (12) the bipolar plate (11) and the upper gas diffusion layer (14) and/or is positioned between the underside (13) of the bipolar plate (11) and the lower gas diffusion layer (14), and - Hot pressing the upper gas diffusion layer (14) on the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or the lower gas diffusion layer (15) on the underside (13) of the bipolar plate (11) with a pressing device (20) to produce a material-locking adhesive connection between the upper gas diffusion layer (14) and the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or between the lower gas diffusion layer (15) and the lower side (13) of the bipolar plate (11). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (16) vor dem Heißpressen getrocknet wird und/oder vor dem Heißpressen eine Bipolarplatte (11) mit getrocknetem Klebemittel (16) auf der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) bereitgestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the adhesive (16) is dried before hot pressing and/or before hot pressing a bipolar plate (11) with dried adhesive (16) on the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or on the underside ( 13) the bipolar plate (11) is provided. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (16) punktförmig an unterschiedlichen Stellen auf die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive (16) is applied in dots at different points on the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or on the underside (13) of the bipolar plate (11). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebemittel (16) Schmelzklebstoff verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that hot-melt adhesive is used as the adhesive (16). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (16) durch eine Injektionsvorrichtung (17) auf die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive (16) is applied to the top (12) of the bipolar plate (11) and/or to the bottom (13) of the bipolar plate (11) by an injection device (17). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel (16) durch mehrere Injektionsvorrichtungen (17) an unterschiedlichen Stellen auf die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) gleichzeitig aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive (16) is applied to the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or to the underside (13) of the bipolar plate (11) by means of a plurality of injection devices (17) at different points. is applied at the same time. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (11) ein Flussfeld (18) und einen Randbereich (19) außerhalb des Flussfeldes (18) aufweist, wobei das Klebemittel (16) im Randbereich (19) der Bipolarplatte (11) aufgetragen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate (11) has a flow field (18) and an edge area (19) outside of the flow field (18), the adhesive (16) in the edge area (19) of the bipolar plate (11 ) is applied. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißpressen mit einem Druck zwischen 4 bar und 8 bar und/oder über eine Zeit zwischen 0,5 Sekunden und 1,5 Sekunden durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hot pressing is carried out at a pressure of between 4 bar and 8 bar and/or for a time of between 0.5 seconds and 1.5 seconds. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung (20) mehrere Heißstempel (21) aufweist und, zum Herstellen der stoffschlüssigen Klebeverbindung zwischen der oberen Gasdiffusionsschicht (14) und der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder zwischen der unteren Gasdiffusionsschicht (15) und der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), die obere Gasdiffusionsschicht (14) durch die Heißstempel (21) an unterschiedlichen Stellen gleichzeitig an die Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder die untere Gasdiffusionsschicht (15) durch die Heißstempel (21) an unterschiedlichen Stellen gleichzeitig an die Unterseite (13) der Bipolarplatte (11) heißgepresst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressing device (20) has a plurality of hot stamps (21) and, for producing the materially bonded adhesive connection between the upper gas diffusion layer (14) and the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or between the lower gas diffusion layer (15) and the underside (13) of the bipolar plate (11), the upper gas diffusion layer (14) through the hot stamp (21) at different points simultaneously to the upper side (12) of the bipolar plate (11) and/or the lower gas diffusion layer (15) are simultaneously hot-pressed by the hot stamp (21) at different points on the underside (13) of the bipolar plate (11). Bipolarplatteneinheit für die Verwendung beim Herstellen einer Bauteilanordnung (10) gemäß einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, aufweisend eine Bipolarplatte (11) mit einer Oberseite (12) und einer Unterseite (13) sowie ein Klebemittel (16) auf der Oberseite (12) der Bipolarplatte (11) und/oder auf der Unterseite (13) der Bipolarplatte (11), wobei das Klebemittel (12) getrockneten Schmelzklebstoff aufweist oder in Form von getrocknetem Schmelzklebstoff bereitgestellt ist.Bipolar plate unit for use in manufacturing a component arrangement (10) according to a method according to any one of the preceding claims, comprising a bipolar plate (11) with a top (12) and a bottom (13) and an adhesive (16) on the top (12) the bipolar plate (11) and/or on the underside (13) of the bipolar plate (11), the adhesive (12) having dried hot-melt adhesive or being provided in the form of dried hot-melt adhesive.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005046461A1 (en) 2004-09-21 2006-04-06 Reinz-Dichtungs-Gmbh Fuel cell arrangement for fuel cell stack, has glue contact glued with pressure sensitive adhesive or binding adhesive, where sensitive adhesive is provided on sealing structure of plate layer and/or on boundary region of layer

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