DE102022212228A1 - Method for producing a cell stack and cell stack - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (100), wobei der Zellenstapel (100) als Komponenten mehrere Membran-Elektroden-Einheiten (91, 92, 93, 94) und mehrere Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) oder mehrere Separatorplattenhälften umfasst. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen (320) der Komponenten des Zellenstapels (100). Danach werden Oxidschichten auf den Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) mittels Plasmavorbehandlung entfernt (330). Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen (340) einer Klebestruktur (10) an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels (100). Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben (360) aller Komponenten des Zellenstapels (100) mittels der Klebestruktur (10), um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur (10) miteinander zu dem Zellenstapel (100) zu verbinden.

Figure DE102022212228A1_0000
Method for producing a fuel cell stack (100), wherein the cell stack (100) comprises as components a plurality of membrane electrode units (91, 92, 93, 94) and a plurality of separator plates (81, 82, 83, 84, 85) or a plurality of separator plate halves. The method comprises as a step providing (320) the components of the cell stack (100). Oxide layers on the separator plates (81, 82, 83, 84, 85) are then removed by means of plasma pretreatment (330). The method further comprises as a step arranging (340) an adhesive structure (10) on at least a plurality of the provided components of the cell stack (100). Furthermore, the method comprises as a step an adhesive bonding (360) of all components of the cell stack (100) by means of the adhesive structure (10) in order to connect the components at least non-detachably to one another by means of the adhesive structure (10) to form the cell stack (100).
Figure DE102022212228A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zellenstapels von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen, und einen derartigen Zellenstapel.The invention relates to a method for producing a cell stack of electrochemical cells, in particular fuel cells or electrolysis cells, and to such a cell stack.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen, bspw. Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen), sind ein wichtiges Produkt für die Elektromobilität. Das Herzstück einer PEM-Brennstoffzelle ist die Membran-Elektroden-Einheit. Um eine ausreichende elektrische Leistung bereitstellen zu können, werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. Ein Brennstoffzellenstapel umfasst abwechselnd aufeinander gestapelte Membran-Elektroden-Einheiten und Separatorplatten, insbesondere Bipolarplatten. Ferner umfasst der Brennstoffzellenstapel Stromabnehmerplatten zum Abnehmen des erzeugten elektrischen Stromes und an den beiden Enden des Brennstoffzellenstapels jeweils eine Endplatte, insbesondere eine Anoden-Endplatte und eine Kathoden-Endplatte. Elektrolysezellen sind ähnlich aufgebaut.Fuel cells, e.g. polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM fuel cells), are an important product for electromobility. The heart of a PEM fuel cell is the membrane electrode unit. In order to be able to provide sufficient electrical power, several fuel cells are stacked to form a fuel cell stack. A fuel cell stack comprises membrane electrode units and separator plates, in particular bipolar plates, stacked alternately on top of one another. The fuel cell stack also comprises current collector plates for collecting the generated electrical current and an end plate at each end of the fuel cell stack, in particular an anode end plate and a cathode end plate. Electrolysis cells are constructed in a similar way.

Konventionell werden in einem Zellenstapel von elektrochemischen Zellen die einzelnen Komponenten wie Membran-Elektroden-Einheiten, Bipolarplatten, Anoden-Endplatte und Kathoden-Endplatte, Stromabnehmer usw. schichtweise aufgelegt und anschließend die Funktionalität wie Dichtheit, sowie ausreichende elektrische Leitfähigkeit durch Kontakt mittels einer starken Verpressung realisiert. Um die angeforderte Dichtheit und die hohe elektrische Leitfähigkeit laufend zu gewährleisten, wird der fertige Zellenstapel bspw. über ein mechanisches Spannmittel mit hoher Kraft verspannt gehalten.Conventionally, in a cell stack of electrochemical cells, the individual components such as membrane electrode units, bipolar plates, anode end plate and cathode end plate, current collector, etc. are placed layer by layer and then the functionality such as tightness and sufficient electrical conductivity are achieved through contact using strong pressing. In order to continuously guarantee the required tightness and high electrical conductivity, the finished cell stack is held in place with high force, for example using a mechanical clamping device.

Bei diesem konventionellen Konzept können Probleme wie z.B. ein Versatz der einzelnen Komponenten, eine inhomogene Belastung der Komponenten beim Verpressungsprozess verursacht werden. Ferner kann eine Gasdiffusionslage einer Membran-Elektroden-Einheit durch die starke Verpressung in ein Flowfield einer Separatorplatte gedrückt werden, sodass es zu einer Verstopfung der Kanäle des Flowfields kommen kann.This conventional concept can cause problems such as misalignment of the individual components and inhomogeneous loading of the components during the pressing process. Furthermore, a gas diffusion layer of a membrane electrode unit can be pressed into a flow field of a separator plate by the strong pressing, which can lead to blockage of the flow field channels.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.The present invention shows a method according to the features of claim 1.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.

Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Zellenstapels, wobei der Zellenstapel als Komponenten zumindest mehrere Membran-Elektroden-Einheiten und mehrere Separatorplatten oder mehrere Separatorplattenhälften umfasst. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen der Komponenten des Zellenstapels. Danach, oder auch unmittelbar davor, werden Oxidschichten auf den Separatorplatten mittels Plasmavorbehandlung entfernt. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen einer Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben aller Komponenten des Zellenstapels mittels der Klebestruktur, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur miteinander zu dem Zellenstapel zu verbinden.According to a first aspect, the present invention shows a method for producing a cell stack, wherein the cell stack comprises as components at least several membrane electrode units and several separator plates or several separator plate halves. The method comprises as a step providing the components of the cell stack. After this, or immediately before, oxide layers on the separator plates are removed by means of plasma pretreatment. The method further comprises as a step arranging an adhesive structure on at least several components of the provided components of the cell stack. The method further comprises as a step gluing all components of the cell stack by means of the adhesive structure in order to connect the components at least inseparably to one another to form the cell stack by means of the adhesive structure.

Der Zellenstapel ist als Stapel von mehreren elektrochemischen Zellen, bevorzugt Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen, ausgeführt.The cell stack is designed as a stack of several electrochemical cells, preferably electrolysis cells or fuel cells.

Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.The process steps described above and below can, if technically reasonable, be carried out individually, together, once, several times, in parallel and/or one after the other in any order.

Die Membran-Elektroden-Einheiten können jeweils eine Membran und/oder eine Anodenelektrode mit einer Katalysatorschicht und/oder eine Kathodenelektrode mit einer Katalysatorschicht und/oder eine Anoden-Gasdiffusionslage und/oder eine Kathoden-Gasdiffusionslage und/oder eine Randverstärkung umfassen. Es ist auch denkbar, dass die Anoden-Gasdiffusionslage und die Kathoden-Gasdiffusionslage jeweils separate Komponenten des Brennstoffzellenstapels sind und neben den Membran-Elektroden-Einheiten mitbereitgestellt werden.The membrane electrode units can each comprise a membrane and/or an anode electrode with a catalyst layer and/or a cathode electrode with a catalyst layer and/or an anode gas diffusion layer and/or a cathode gas diffusion layer and/or an edge reinforcement. It is also conceivable that the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are each separate components of the fuel cell stack and are provided alongside the membrane electrode units.

Die Separatorplatte kann auch als Bipolarplatte verstanden werden. Die Separatorplattenhälfte kann auch als Bipolarplattenhälfte verstanden werden. Bevorzugt werden zwei Separatorplattenhälften bzw. zwei Bipolarplattenhälften aneinander angeordnet, bspw. miteinander verschweißt und/oder verklebt, um eine Separatorplatte bzw. eine Bipolarplatte zu erhalten. Ferner sind die Separatorplatten bevorzugt metallisch, bspw. Edelstahl-Separatorplatten, bzw. sind die Separatorplattenhälften metallisch, bspw. Edelstahl-Separatorplattenhälften.The separator plate can also be understood as a bipolar plate. The separator plate half can also be understood as a bipolar plate half. Preferably, two separator plate halves or two bipolar plate halves are arranged next to one another, for example welded and/or glued together, in order to obtain a separator plate or a bipolar plate. Furthermore, the separator plates are preferably metallic, for example stainless steel separator plates, or the separator plate halves are metallic, for example stainless steel separator plate halves.

Das Reinigen der Separatorplatten bzw. -plattenhälften erfolgt bevorzugt mittels Wasserstoffplasma. Die schädlichen Oxidschichten werden dadurch entfernt. Vorteilhafterweise wird die Klebestruktur unmittelbar darauffolgend appliziert.The separator plates or plate halves are preferably cleaned using hydrogen plasma. This removes the harmful oxide layers. The adhesive structure is advantageously applied immediately afterwards.

Das Anordnen der Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels kann mittels einer Vorrichtung zum Aufbringen der Klebestruktur durch Schablonendruck, Siebdruck, Walzendruck oder Tampondruck erfolgen. Es ist alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass die Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels bspw. mittels eines Dosierverfahrens und/oder eines Inkjet-Verfahrens aufgebracht wird.The adhesive structure can be arranged on at least several components of the provided components of the cell stack by means of a device for applying the adhesive structure by stencil printing, screen printing, roller printing or pad printing. Alternatively or additionally, it is also conceivable that the adhesive structure is applied to at least several components of the provided components of the cell stack, for example by means of a dosing method and/or an inkjet method.

Die Klebestruktur kann zumindest eine Mehrzahl an Teilen, insbesondere eine Vielzahl an Teilen, aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Klebestruktur zeitlich nacheinander zumindest in mehreren Teilen jeweils an unterschiedlichen Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels angeordnet werden und nacheinander eine Mehrzahl an Komponenten miteinander verklebt werden. Somit erfolgt das Anordnen der Klebestruktur bzw. eines jeweiligen Teils der Klebestruktur an Komponenten des Brennstoffzellenstapels insbesondere sukzessiv und/oder erfolgt das Verkleben der Komponenten des Brennstoffzellenstapels sukzessiv.The adhesive structure can have at least a plurality of parts, in particular a large number of parts. In other words, the adhesive structure can be arranged one after the other in time, at least in several parts, on different components of the provided components of the cell stack, and a plurality of components can be glued to one another one after the other. Thus, the arrangement of the adhesive structure or a respective part of the adhesive structure on components of the fuel cell stack takes place in particular successively and/or the components of the fuel cell stack are glued together successively.

Ferner können die Klebestruktur bzw. eine Mehrzahl an Teilen der Klebestruktur, vorzugsweise eine Vielzahl an Teilen der Klebestruktur, insbesondere zumindest einen Inaktiv-Zustand und einen Aushärte-Zustand aufweisen. Zusätzlich kann die Klebestruktur einen Zwischen-Zustand aufweisen, bspw. während eines Übergangs von dem Inaktiv-Zustand in den Aushärte-Zustand. In dem Inaktiv-Zustand können die Klebeeigenschaften der Klebestruktur gering bzw. nicht vorhanden oder im Wesentlichen nicht vorhanden sein. In dem Aushärte-Zustand sind die Klebeeigenschaften der Klebestruktur insbesondere besonders hoch und die Komponenten des Zellenstapels sind mittels der Klebestruktur unlösbar miteinander verbunden. Bspw. kann die Klebestruktur von einem Inaktiv-Zustand bzw. ein Teil oder mehrere Teile der Klebestruktur können von einem Inaktiv-Zustand mittels UV-Bestrahlung aktiviert werden, um von dem Inaktiv-Zustand in den Aushärte-Zustand überführt zu werden. Nach dem Aktivieren der Klebestruktur kann das Verkleben von Komponenten innerhalb einer Offenzeit der Klebestruktur erfolgen. Als Offenzeit ist insbesondere die Verarbeitungszeit zu verstehen. Die Offenzeit kann auch als Topfzeit verstanden werden.Furthermore, the adhesive structure or a plurality of parts of the adhesive structure, preferably a plurality of parts of the adhesive structure, can in particular have at least one inactive state and a curing state. In addition, the adhesive structure can have an intermediate state, for example during a transition from the inactive state to the curing state. In the inactive state, the adhesive properties of the adhesive structure can be low or non-existent or essentially non-existent. In the curing state, the adhesive properties of the adhesive structure are particularly high and the components of the cell stack are permanently connected to one another by means of the adhesive structure. For example, the adhesive structure can be activated from an inactive state or a part or several parts of the adhesive structure can be activated from an inactive state by means of UV radiation in order to be transferred from the inactive state to the curing state. After the adhesive structure has been activated, the components can be bonded within an open time of the adhesive structure. The open time is to be understood in particular as the processing time. The open time can also be understood as the pot life.

Ferner kann das Anordnen der Klebestruktur bzw. einer Mehrzahl an Teilen der Klebestruktur, vorzugsweise einer Vielzahl an Teilen der Klebestruktur, an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels derart erfolgen, dass die Klebestruktur in einem Inaktiv-Zustand angeordnet wird, wobei insbesondere nach dem Anordnen ein Aktivieren der sich in dem Inaktiv-Zustand befindlichen Klebestruktur bzw. der Mehrzahl an Teilen der Klebestruktur, vorzugsweise der Vielzahl an Teilen der Klebestruktur, erfolgt. Das Aktivieren der sich in dem Inaktiv-Zustand befindlichen Klebestruktur bzw. der Mehrzahl an Teilen der Klebestruktur, vorzugsweise der Vielzahl an Teilen der Klebestruktur kann bspw. mittels UV-Bestrahlung erfolgen. Nach dem Aktivieren erfolgt insbesondere ein Aushärten der Klebestruktur bzw. der Mehrzahl an Teilen der Klebestruktur, vorzugsweise der Vielzahl an Teilen der Klebestruktur, sodass die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels mittels der (ausgehärteten) Klebestruktur verklebt sind.Furthermore, the arrangement of the adhesive structure or a plurality of parts of the adhesive structure, preferably a plurality of parts of the adhesive structure, on the at least several components of the provided components of the cell stack can be carried out in such a way that the adhesive structure is arranged in an inactive state, wherein in particular after the arrangement, an activation of the adhesive structure in the inactive state or the plurality of parts of the adhesive structure, preferably the plurality of parts of the adhesive structure, takes place. The activation of the adhesive structure in the inactive state or the plurality of parts of the adhesive structure, preferably the plurality of parts of the adhesive structure, can take place, for example, by means of UV radiation. After the activation, in particular a curing of the adhesive structure or the plurality of parts of the adhesive structure, preferably the plurality of parts of the adhesive structure, takes place, so that the at least several components of the provided components of the fuel cell stack are glued by means of the (cured) adhesive structure.

Das Verkleben aller Komponenten des Zellenstapels mittels der Klebestruktur erfolgt insbesondere ferner derart, dass zwischen benachbarten Komponenten jeweils zumindest ein Teil der Klebestruktur angeordnet ist.The bonding of all components of the cell stack by means of the adhesive structure is carried out in particular in such a way that at least a part of the adhesive structure is arranged between adjacent components.

Durch das Verkleben aller Komponenten des Zellenstapels mittels der Klebestruktur, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden, kann bei einem fertig hergestellten erfindungsgemäßen Zellenstapel ein Verpressen des Zellenstapels weggelassen werden oder nur eine leichte Verspannung erfolgen; die elektrischen Kontaktwiderstände sind aufgrund der im Aktivbereich elektrisch sehr gut leitenden Klebestruktur auch ohne Verpressen niedrig; auch geklebte Dichtungen innerhalb der Klebestruktur können ohne zusätzliche Verpressung auskommen. Somit kann vorteilhafterweise besonders vorteilhaft vermieden werden, dass bspw. eine Gasdiffusionslage in ein Flowfield einer Separatorplatte, insbesondere einer Bipolarplatte, gedrückt wird. Damit kann eine reibungslose Gaszufuhr gewährleistet werden. Zugleich kann vorteilhafterweise eine inhomogene Belastung einer Komponente oder mehrerer Komponenten des Zellenstapels und ein Verrutschen einer Komponente oder mehrerer Komponenten des Zellenstapels besonders vorteilhaft geringgehalten werden. Ferner kann somit ein Zellenstapel frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Zellenstapels mittels einer Spannkraft, insbesondere in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung des Zellenstapels, sein. Da ein Klebeprozess ein industrieller Prozess ist, ermöglicht dies eine serientaugliche Fertigung mit geringer Taktzeit und somit hoher Produktionskapazität.By gluing all components of the cell stack using the adhesive structure in order to at least permanently connect the components to one another to form the fuel cell stack using the adhesive structure, pressing of the cell stack can be omitted or only slight bracing can be carried out in a finished cell stack according to the invention; the electrical contact resistances are low even without pressing due to the adhesive structure, which is electrically very conductive in the active area; even glued seals within the adhesive structure can manage without additional pressing. This makes it particularly advantageous to avoid, for example, a gas diffusion layer being pressed into a flow field of a separator plate, in particular a bipolar plate. This can ensure a smooth gas supply. At the same time, inhomogeneous loading of a component or several components of the cell stack and slipping of a component or several components of the cell stack can be kept particularly advantageously low. Furthermore, a cell stack can thus be free of a mechanical clamping device for bracing the cell stack by means of a clamping force, in particular in a direction along a stacking direction of the cell stack. Since an adhesive process is an industrial process, this enables series production with a short cycle time and thus high production capacity.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Zellenstapel ferner als weitere Komponenten einen Plus-Stromabnehmer für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels und/oder einen Minus-Stromabnehmer für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels und/oder eine erste Isolierplatte zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Zellenstapels und/oder eine zweite Isolierplatte zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Zellenstapels aufweist, wobei die weitere Komponente oder die weiteren Komponenten mitbereitgestellt werden und verklebt werden. Somit kann der Zellenstapel besonders vorteilhaft ausgebildet sein. Weiter kann die erste Isolierplatte mit einem elektrisch isolierenden Kleber, insbesondere mit einem ersten Klebstoff der Klebestruktur, mit der Anoden-Endplatte des Zellenstapels verbunden sein und/oder kann die zweite Isolierplatte mit einem elektrisch isolierenden Kleber, insbesondere mit einem ersten Klebstoff der Klebestruktur, mit der Kathoden-Endplatte des Zellenstapels verbunden sein. Der Plus-Stromabnehmer kann mit der Anoden-Endplatte des Zellenstapels mit einem elektrisch leitenden, d. h. elektrisch leitfähigen, Klebstoff, insbesondere mit einem zweiten Klebstoff der Klebestruktur, verbunden sein und/oder kann der Minus-Stromabnehmer mit der Kathoden-Endplatte des Zellenstapels mit einem elektrisch leitenden, d. h. elektrisch leitfähigen, Klebstoff, insbesondere mit einem zweiten Klebstoff der Klebestruktur, verbunden sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Klebestruktur, insbesondere ein erster Klebstoff der Klebestruktur, derart zumindest an einer jeweiligen Randfläche mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur zumindest abgedichtet sind. Somit kann auf eine zusätzliche Dichtung, bspw. zwischen benachbarten Komponenten des Zellenstapels, zum Abdichten des Zellenstapels verzichtet werden. Als Randfläche ist insbesondere eine Fläche in einer Nähe eines Randes einer Plattenseite einer Komponente des Zellenstapels zu verstehen. Die an der jeweiligen Randfläche mehrerer Komponenten angeordnete Klebestruktur ist insbesondere abdichtend, vorzugsweise abdichtend und elektrisch isolierend. Insbesondere kann zwischen benachbarten Komponenten des Zellenstapels an der jeweiligen Randfläche die Klebestruktur eine umlaufende Dichtung ausbilden. Somit kann besonders sicher verhindert werden, dass Prozessfluide des Zellenstapels, bspw. ein Kathodengas und/oder ein Anodengas und/oder ein Kühlfluid, zwischen den Komponenten aus dem Zellenstapel in die Umwelt gelangen können. Vorzugsweise wird die abdichtende Klebestruktur an der jeweiligen Randfläche der mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten mit einer Schichthöhe von 70 bis 600 µm angeordnet. Somit kann das Abdichten besonders vorteilhaft sichergestellt werden.It may be advantageous if, in a method according to the invention, the cell stack further comprises, as further components, a plus current collector for electrically contacting the cell stack and/or a minus current collector for an electrical contact of the cell stack and/or a first insulating plate for electrically insulating a first end of the cell stack and/or a second insulating plate for electrically insulating a second end of the cell stack, wherein the further component or the further components are also provided and are glued. The cell stack can thus be designed particularly advantageously. Furthermore, the first insulating plate can be connected to the anode end plate of the cell stack with an electrically insulating adhesive, in particular with a first adhesive of the adhesive structure, and/or the second insulating plate can be connected to the cathode end plate of the cell stack with an electrically insulating adhesive, in particular with a first adhesive of the adhesive structure. The positive current collector can be connected to the anode end plate of the cell stack with an electrically conductive, i.e. electrically conductive, adhesive, in particular with a second adhesive of the adhesive structure, and/or the negative current collector can be connected to the cathode end plate of the cell stack with an electrically conductive, i.e. electrically conductive, adhesive, in particular with a second adhesive of the adhesive structure.
It can be advantageous if, in a method according to the invention, the adhesive structure, in particular a first adhesive of the adhesive structure, is arranged at least on a respective edge surface of several components of the components provided and is designed in such a way that the bonded components are at least sealed by means of the adhesive structure. An additional seal, for example between adjacent components of the cell stack, for sealing the cell stack can thus be dispensed with. An edge surface is to be understood in particular as an area in the vicinity of an edge of a plate side of a component of the cell stack. The adhesive structure arranged on the respective edge surface of several components is in particular sealing, preferably sealing and electrically insulating. In particular, the adhesive structure can form a circumferential seal between adjacent components of the cell stack on the respective edge surface. This makes it particularly safe to prevent process fluids of the cell stack, for example a cathode gas and/or an anode gas and/or a cooling fluid, from escaping from the cell stack into the environment between the components. Preferably, the sealing adhesive structure is arranged on the respective edge surface of the multiple components of the provided components with a layer height of 70 to 600 µm. Sealing can thus be ensured in a particularly advantageous manner.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Klebestruktur, insbesondere ein zweiter Klebstoff der Klebestruktur, zumindest abschnittsweise in einem jeweiligen Aktivbereich mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Somit kann besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass ein elektrischer Widerstand zwischen benachbarten Komponenten des Zellenstapels in dem Aktivbereich besonders geringgehalten wird. Ferner wird somit sichergestellt, dass die Komponenten über einen Großteil des Zellenstapels miteinander verklebt sind. Als Aktivbereich der Komponenten des Zellenstapels ist insbesondere der Bereich der Komponenten zu verstehen, in welchem eine chemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie stattfindet. Bspw. kann die Klebestruktur zumindest abschnittsweise in dem jeweiligen Aktivbereich auf die Stege von Bipolarplatten angeordnet werden. Insbesondere kann die elektrisch leitende Klebestruktur in dem jeweiligen Aktivbereich der mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten mit einer Schichthöhe von 5 bis 100 µm angeordnet werden.It can be advantageous if, in a method according to the invention, the adhesive structure, in particular a second adhesive of the adhesive structure, is arranged at least in sections in a respective active region of several components of the components provided and is designed such that the bonded components are electrically conductively connected to one another by means of the adhesive structure. This makes it particularly advantageous to ensure that an electrical resistance between adjacent components of the cell stack in the active region is kept particularly low. It is also ensured that the components are bonded to one another over a large part of the cell stack. The active region of the components of the cell stack is to be understood in particular as the region of the components in which a chemical reaction to generate electrical energy takes place. For example, the adhesive structure can be arranged at least in sections in the respective active region on the webs of bipolar plates. In particular, the electrically conductive adhesive structure can be arranged in the respective active region of the several components of the components provided with a layer height of 5 to 100 µm.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Klebestruktur zumindest abschnittsweise einen ersten Klebstoff und zumindest abschnittsweise einen zweiten Klebstoff aufweist, wobei der erste Klebstoff abdichtend und elektrisch isolierend ist und/oder der zweite Klebstoff elektrisch leitend ist. Somit kann der Zellenstapel mittels der Klebestruktur besonders einfach hergestellt werden. Insbesondere ist der erste Klebstoff neben dem Verkleben zusätzlich zum (fluidtechnischen) Abdichten und zum elektrischen Isolieren und/oder ist der zweite Klebstoff neben dem Verkleben zusätzlich zum elektrischen Verbinden. Vorzugsweise weist die Klebestruktur nur einen ersten Klebstoff und nur einen zweiten Klebstoff auf, wobei der erste Klebstoff abdichtend und elektrisch isolierend ist und/oder der zweite Klebstoff elektrisch leitend ist. Somit kann das Herstellten des Zellenstapels besonders kostengünstig sein. Der erste Klebstoff der Klebestruktur wird bspw. an einer jeweiligen Randfläche mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet und ist derart ausgebildet, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur zumindest abgedichtet sind. Der zweite Klebstoff der Klebestruktur wird bspw. in einem jeweiligen Aktivbereich mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet und ist derart ausgebildet, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ferner weisen insbesondere der erste Klebstoff und der zweite Klebstoff die gleiche chemische Basis auf. Somit kann das Herstellen des Zellenstapels besonders kostengünstig sein. Ferner kann der erste Klebstoff standfest sein und/oder kann der zweite Klebstoff standfest sein.It can be advantageous if, in a method according to the invention, the adhesive structure has at least in sections a first adhesive and at least in sections a second adhesive, the first adhesive being sealing and electrically insulating and/or the second adhesive being electrically conductive. The cell stack can thus be produced particularly easily using the adhesive structure. In particular, the first adhesive is used in addition to bonding for (fluidic) sealing and electrical insulation and/or the second adhesive is used in addition to bonding for electrical connection. Preferably, the adhesive structure has only a first adhesive and only a second adhesive, the first adhesive being sealing and electrically insulating and/or the second adhesive being electrically conductive. The production of the cell stack can thus be particularly cost-effective. The first adhesive of the adhesive structure is arranged, for example, on a respective edge surface of several components of the components provided and is designed such that the bonded components are at least sealed by means of the adhesive structure. The second adhesive of the adhesive structure is arranged, for example, in a respective active area of several components of the components provided and is designed in such a way that the bonded components are electrically conductively connected to one another by means of the adhesive structure. Furthermore, in particular the first adhesive and the second adhesive have the same chemical basis. This means that the production of the cell stack can be particularly cost-effective. Furthermore, the first adhesive can be stable and/or the second adhesive can be stable.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Klebestruktur zeitlich nacheinander an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels angeordnet wird und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden, um die Komponenten zumindest unlösbar miteinander zu dem Zellenstapel zu verbinden. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann bspw. Komponente für Komponente des Zellenstapels in einer Stapelrichtung des Zellenstapels miteinander verklebt werden. Somit kann das Herstellen des Zellenstapels besonders einfach erfolgen.It can be advantageous if, in a method according to the invention, the adhesive structure is arranged one after the other on the at least several components of the provided components of the cell stack and the components are glued layer by layer using the adhesive structure in order to connect the components at least inseparably to one another to form the cell stack. In other words, for example, component by component of the cell stack can be glued to one another in a stacking direction of the cell stack. This makes it particularly easy to produce the cell stack.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Zellenstapel, wobei der Zellenstapel mit einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist, und wobei der Zellenstapel frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung des Zellenstapels ist.According to a second aspect, the present invention features a cell stack, wherein the cell stack is manufactured by a method according to one of the preceding claims, and wherein the cell stack is free of a mechanical clamping means for clamping the fuel cell stack by means of a clamping force in a direction along a stacking direction of the cell stack.

Das mechanische Spannmittel zum Verspannen des Zellenstapels ist bspw. ein Zuganker oder mehrere Zuganker. Dazu werden in der Regel alle Komponenten des Zellenstapels über vier oder mehr Zuganker mit Hilfe von Muttern mechanisch verspannt. Die Zuganker können außerhalb des Zellenstapels angebracht oder auch in diesen integriert ausgeführt werden. Alternativ werden auch Spannbänder zum Verspannen des Zellenstapels verwendet. Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß aufgrund der Verklebung der Komponenten des Zellenstapels auf ein mechanisches Spannmittel, welches bspw. an dem Zellenstapel angreift, verzichtet werden und der Zellenstapel kann besonders einfach ausgebildet sein.The mechanical clamping device for clamping the cell stack is, for example, a tie rod or several tie rods. To do this, all components of the cell stack are usually mechanically clamped using four or more tie rods with the help of nuts. The tie rods can be attached outside the cell stack or integrated into it. Alternatively, clamping bands are also used to clamp the cell stack. Advantageously, according to the invention, due to the adhesive bonding of the components of the cell stack, a mechanical clamping device that acts on the cell stack, for example, can be dispensed with and the cell stack can be designed to be particularly simple.

Der Zellenstapel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.The cell stack according to the second aspect of the invention thus has the same advantages as have already been described for the method according to the first aspect of the invention.

Bevorzugt weist der Zellenstapel Separatorplatten auf, die keine kühlseitigen Beschichtungen und/oder keine strömungsfeldseitigen Beschichtungen aufweisen. Entsprechende Separatorplatten sind besonders kostengünstig ausgeführt.The cell stack preferably has separator plates that have no coatings on the cooling side and/or no coatings on the flow field side. Corresponding separator plates are designed to be particularly cost-effective.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further measures to improve the invention emerge from the following description of some embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All features and/or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including design details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in various combinations. It should be noted that the figures are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way.

Es zeigen schematisch:

  • 1 einen Brennstoffzellenstapel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
  • 2 eine Vorrichtung zum Anordnen einer Klebestruktur, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
  • 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Zellenstapels,
  • 4 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Zellenstapels,
  • 5 einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Separatorplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
They show schematically:
  • 1 a fuel cell stack, with only the essential areas shown,
  • 2 a device for arranging an adhesive structure, with only the essential areas being shown,
  • 3 a method according to the invention for producing a cell stack,
  • 4 Process steps of a process according to the invention for producing a cell stack,
  • 5 a section through a separator plate known from the prior art, with only the essential areas being shown.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.In the following figures, identical reference symbols are used for the same technical features even in different embodiments.

1 offenbart schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen Zellenstapel 100 elektrochemischer Zellen, wobei der Zellenstapel als Komponenten eine erste Isolierplatte 51 zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Zellenstapels 100, einen Plus-Stromabnehmer 61 für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels 100, eine Anoden-Endplatte 71, mehrere Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 oder mehrere Separatorplattenhälften, mehrere Membran-Elektroden-Einheiten 91, 92, 93, 94, eine Kathoden-Endplatte 72, einen Minus-Stromabnehmer 62 für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels 100, sowie eine zweite Isolierplatte 52 zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Zellenstapels 100 aufweist. Der Zellenstapel ist dabei bevorzugt als Stapel von Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen ausgeführt. 1 discloses schematically in a perspective view a cell stack 100 of electrochemical cells, wherein the cell stack has as components a first insulating plate 51 for electrically insulating a first end of the cell stack 100, a positive current collector 61 for electrically contacting the cell stack 100, an anode end plate 71, several separator plates 81, 82, 83, 84, 85 or several separator plate halves, several membrane electrode units 91, 92, 93, 94, a cathode end plate 72, a negative current collector 62 for electrically contacting the cell stack 100, and a second insulating plate 52 for electrically insulating a second end of the cell stack 100. The cell stack is preferably designed as a stack of fuel cells or electrolysis cells.

Die Komponenten sind entlang einer Stapelrichtung SR des Zellenstapels 100 gestapelt und mittels einer Klebestruktur 10 (nicht dargestellt) verklebt, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur 10 miteinander zu dem Zellenstapel 100 zu verbinden.The components are stacked along a stacking direction SR of the cell stack 100 and bonded by means of an adhesive structure 10 (not shown) in order to connect the components at least inseparably to one another by means of the adhesive structure 10 to form the cell stack 100.

Bei dem in 1 dargestellten Zellenstapel ist zusätzlich ferner denkbar, dass der Zellenstapel 100 frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Zellenstapels 100 mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung SR des Brennstoffzellenstapels 100 ist.In the 1 In addition, it is also conceivable that the cell stack 100 is free of a mechanical clamping device for clamping the cell stack 100 by means of a Tension force in a direction along a stacking direction SR of the fuel cell stack 100.

2 offenbart schematisch in einer perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung 400 zum zumindest abschnittsweisen Anordnen einer Klebestruktur 10 mit zumindest einem ersten Klebstoff K1 und einem von dem ersten Klebstoff K1 unterschiedlichen zweiten Klebstoff K2 an zumindest eine Komponente eines Zellenstapels 100 für ein Herstellen des Zellenstapels 100, welcher bevorzugt als Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel ausgeführt ist. Das Verfahren zum Aufbringen der Klebestruktur 10 ist dabei bevorzugt als Tampondruck ausgeführt. 2 discloses schematically in a perspective view a device 400 for at least partially arranging an adhesive structure 10 with at least a first adhesive K1 and a second adhesive K2 different from the first adhesive K1 on at least one component of a cell stack 100 for producing the cell stack 100, which is preferably designed as a fuel cell stack or electrolysis cell stack. The method for applying the adhesive structure 10 is preferably designed as pad printing.

Die Vorrichtung 400 umfasst zumindest einen ersten Klebstoffbehälter 411 zum Aufnehmen des ersten Klebstoffes K1. Ferner umfasst die Vorrichtung 400 einen zweiten Klebstoffbehälter 421 zum Aufnehmen des zweiten Klebstoffes K2. Ferner umfasst die Vorrichtung 400 eine erste Ausgabeeinheit 412 zum Ausgeben des ersten Klebstoffes K1 für ein Anordnen eines ersten Teils 11 der Klebestruktur 10 an die zumindest eine Komponente des Zellenstapels 100, wobei die erste Ausgabeeinheit 412 fluidtechnisch mit dem ersten Klebstoffbehälter 411 verbunden ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 400 eine zweite Ausgabeeinheit 422 zum Ausgeben des zweiten Klebstoffes K2 für ein Anordnen eines von dem ersten Teil 11 unterschiedlichen zweiten Teils 12 der Klebestruktur 10 an die zumindest eine Komponente des Zellenstapels 100, wobei die zweite Ausgabeeinheit 422 fluidtechnisch mit dem zweiten Klebstoffbehälter 421 verbunden ist.The device 400 comprises at least a first adhesive container 411 for receiving the first adhesive K1. The device 400 also comprises a second adhesive container 421 for receiving the second adhesive K2. The device 400 also comprises a first dispensing unit 412 for dispensing the first adhesive K1 for arranging a first part 11 of the adhesive structure 10 on the at least one component of the cell stack 100, wherein the first dispensing unit 412 is fluidically connected to the first adhesive container 411. The device 400 also comprises a second dispensing unit 422 for dispensing the second adhesive K2 for arranging a second part 12 of the adhesive structure 10, which is different from the first part 11, on the at least one component of the cell stack 100, wherein the second dispensing unit 422 is fluidically connected to the second adhesive container 421.

Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung 400 ist zusätzlich denkbar, dass die erste Ausgabeeinheit 412 und die zweite Ausgabeeinheit 422 für das Anordnen der Klebestruktur 10 bewegbar sind. Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung 400 ist ferner zusätzlich denkbar, dass die erste Ausgabeeinheit 412 die zweite Ausgabeeinheit 422 umgibt. Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung 400 ist ferner zusätzlich denkbar, dass die erste Ausgabeeinheit 412 dazu ausgebildet ist, den ersten Klebstoff K1 herauszudrücken und/oder die zweite Ausgabeeinheit 422 dazu ausgebildet ist, den zweiten Klebstoff K2 zu stempeln. Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung 400 ist ferner zusätzlich denkbar, dass die erste Ausgabeeinheit 412 dazu ausgebildet ist, den ersten Teil 11 der Klebestruktur 10 an die zumindest eine Komponente des Zellenstapels 100 in einem Schritt anzuordnen und/oder dass die zweite Ausgabeeinheit 422 dazu ausgebildet ist, den zweiten Teil 12 der Klebestruktur 10 an die zumindest eine Komponente des Zellenstapels 100 in einem Schritt, insbesondere in einem gemeinsamen Schritt mit der ersten Ausgabeeinheit 412, anzuordnen.At the 2 In the device 400 shown in FIG. 1, it is additionally conceivable that the first output unit 412 and the second output unit 422 are movable for arranging the adhesive structure 10. In the device shown in FIG. 2 In the device 400 shown in FIG. 1, it is also conceivable that the first output unit 412 surrounds the second output unit 422. In the device shown in FIG. 1, 2 In the device 400 shown in FIG. 1, it is also conceivable that the first dispensing unit 412 is designed to press out the first adhesive K1 and/or the second dispensing unit 422 is designed to stamp the second adhesive K2. In the device shown in FIG. 1, 2 In the device 400 shown, it is further conceivable that the first output unit 412 is designed to arrange the first part 11 of the adhesive structure 10 on the at least one component of the cell stack 100 in one step and/or that the second output unit 422 is designed to arrange the second part 12 of the adhesive structure 10 on the at least one component of the cell stack 100 in one step, in particular in a joint step with the first output unit 412.

Bspw. wird mittels der in 2 dargestellten Vorrichtung 400 ein erster Klebstoff K1 der Klebestruktur 10 zur Abdichtung am Randbereich RB einer Separatorplattenhälfte 81 appliziert und ein zweiter Klebstoff K2 der Klebestruktur 10 zur elektrischen Leitung und Fixierung auf mehrere Stege eines Strömungsfeldes in einem Aktivbereich AB appliziert, indem sich die Vorrichtung 400 nach unten bewegt. Nach der Auftragung des ersten Klebstoffes K1 und des zweiten Klebstoffes K2 bewegt sich die Vorrichtung 400 nach oben. Während der Zeit können ein jeweiliger Boden der ersten Ausgabeeinheit 412 und der zweiten Ausgabeeinheit 422 beim Hochfahren offenbleiben, sofern der erste Klebstoff K1 und der zweite Klebstoff K2 standfest sind. Durch eine UV-Bestrahlung können der erste Klebstoff K1 und der zweite Klebstoff K2 aktiviert werden. In einer definierten Offenzeit des ersten Klebstoffes K1 und des zweiten Klebstoffes K2 kann eine Seite einer Membran-Elektroden-Einheit (nicht dargestellt) gefügt werden, wobei eine Randverstärkung der Membran-Elektroden-Einheit durch den ersten Klebstoff K1 und eine Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Einheit durch den zweiten Klebstoff K2 mit der Separatorplattenhälfte 81 verklebt werden.For example, the 2 In the device 400 shown, a first adhesive K1 of the adhesive structure 10 is applied for sealing at the edge region RB of a separator plate half 81 and a second adhesive K2 of the adhesive structure 10 is applied for electrical conduction and fixation to several webs of a flow field in an active region AB by moving the device 400 downwards. After the application of the first adhesive K1 and the second adhesive K2, the device 400 moves upwards. During this time, a respective base of the first output unit 412 and the second output unit 422 can remain open when starting up, provided the first adhesive K1 and the second adhesive K2 are stable. The first adhesive K1 and the second adhesive K2 can be activated by UV irradiation. In a defined open time of the first adhesive K1 and the second adhesive K2, one side of a membrane electrode unit (not shown) can be joined, wherein an edge reinforcement of the membrane electrode unit is bonded to the separator plate half 81 by the first adhesive K1 and a gas diffusion layer of the membrane electrode unit is bonded to the separator plate half 81 by the second adhesive K2.

3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Zellenstapels 100, wie er bspw. zu 1 beschrieben ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen 320 der Komponenten des Zellenstapels 100. In einem Schritt 330 wird auf den Komponenten - genau genommen auf den Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 oder Separatorplattenhälften - die dortige Oxidschicht mittels Plasmavorbehandlung entfernt. 3 discloses a method for producing an electrochemical cell stack 100, such as 1 The method comprises, as a step, providing 320 the components of the cell stack 100. In a step 330, the oxide layer on the components - more precisely on the separator plates 81, 82, 83, 84, 85 or separator plate halves - is removed by means of plasma pretreatment.

Die Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 aus Edelstahl bilden auf ihren Oberflächen dünne Oxidschichten aus, welche zu hohen Kontaktwiderständen führen. Zur Reduzierung des Kontaktwiderstands werden üblicherweise beschichtete Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 verwendet. Die Beschichtung der Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 erhöht die Materialkosten erheblich und somit die Produktkosten. Die Plasmavorbehandlung, bevorzugt Wasserstoffplasmavorbehandlung, kann nicht nur zur Entfernung der Oxidschicht auf der Kühlseite der Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85, sondern auch auf den aktiven Seiten - also Anoden- und Kathodenströmungsfeldern - eingesetzt werden. Die Plasmavorbehandlung ist ein kostengünstiger Prozess. Der in-Situ Einsatz ermöglicht ein komplettes oder partielles Verzichten auf die Beschichtung der Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 und damit die Reduktion der Produktkosten.The separator plates 81, 82, 83, 84, 85 made of stainless steel form thin oxide layers on their surfaces, which lead to high contact resistances. Coated separator plates 81, 82, 83, 84, 85 are usually used to reduce the contact resistance. The coating of the separator plates 81, 82, 83, 84, 85 increases the material costs considerably and thus the product costs. Plasma pretreatment, preferably hydrogen plasma pretreatment, can be used not only to remove the oxide layer on the cooling side of the separator plates 81, 82, 83, 84, 85, but also on the active sides - i.e. anode and cathode flow fields. Plasma pretreatment is a cost-effective process. The in-situ use makes it possible to completely or partially dispense with the coating of the separator plates 81, 82, 83, 84, 85 and thus reduce product costs.

Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen 340 einer Klebestruktur 10 an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels 100. Nach der Plasmavorbehandlung erfolgt das Anordnen 340 der Klebestruktur 10 bevorzugt unmittelbar, so dass eine ReOxidation der Oberflächen der Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85 vermieden wird.Furthermore, the method comprises as a step an arrangement 340 of an adhesive structure 10 on at least several components of the provided ten components of the cell stack 100. After the plasma pretreatment, the arrangement 340 of the adhesive structure 10 preferably takes place immediately, so that re-oxidation of the surfaces of the separator plates 81, 82, 83, 84, 85 is avoided.

Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben 360 aller bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels 100 mittels der Klebestruktur 10, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur 10 miteinander zu dem Zellenstapel 100 zu verbinden.Furthermore, the method comprises as a step an adhesive bonding 360 of all provided components of the cell stack 100 by means of the adhesive structure 10 in order to connect the components at least non-detachably to one another by means of the adhesive structure 10 to form the cell stack 100.

Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist zusätzlich denkbar, dass der Zellenstapel 100 ferner als weitere Komponenten einen Plus-Stromabnehmer 61 für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels 100 und/oder einen Minus-Stromabnehmer 62 für ein elektrisches Kontaktieren des Zellenstapels 100 und/oder eine erste Isolierplatte 51 zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Zellenstapels 100 und/oder eine zweite Isolierplatte 52 zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Zellenstapels 100 aufweist, wobei die weitere Komponente oder die weiteren Komponenten mitbereitgestellt 321 und verklebt werden 361.In the 3 In the method shown, it is additionally conceivable that the cell stack 100 further comprises, as further components, a positive current collector 61 for electrically contacting the cell stack 100 and/or a negative current collector 62 for electrically contacting the cell stack 100 and/or a first insulating plate 51 for electrically insulating a first end of the cell stack 100 and/or a second insulating plate 52 for electrically insulating a second end of the cell stack 100, wherein the further component or the further components are also provided 321 and glued 361.

Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist zusätzlich denkbar, dass die Klebestruktur 10 derart zumindest an einer jeweiligen Randfläche RB mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird 341 und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur 10 zumindest abgedichtet sind. Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist ferner zusätzlich denkbar, dass die Klebestruktur 10 zumindest abschnittsweise in einem jeweiligen Aktivbereich AB mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird 342 und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur 10 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist zusätzlich ferner denkbar, dass die Klebestruktur 10 zumindest abschnittsweise einen ersten Klebstoff K1 und zumindest abschnittsweise einen zweiten Klebstoff K2 aufweist, wobei der erste Klebstoff K1 abdichtend und elektrisch isolierend ist und/oder der zweite Klebstoff K2 elektrisch leitend ist.In the 3 In the method shown, it is additionally conceivable that the adhesive structure 10 is arranged 341 at least on a respective edge surface RB of several components of the provided components and is designed such that the bonded components are at least sealed by means of the adhesive structure 10. In the method shown in 3 In the method shown in , it is also conceivable that the adhesive structure 10 is arranged 342 at least in sections in a respective active region AB of several components of the components provided and is designed such that the bonded components are electrically conductively connected to one another by means of the adhesive structure 10. In the method shown in 3 In the method illustrated, it is additionally conceivable that the adhesive structure 10 has at least in sections a first adhesive K1 and at least in sections a second adhesive K2, wherein the first adhesive K1 is sealing and electrically insulating and/or the second adhesive K2 is electrically conductive.

Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist zusätzlich ferner denkbar, dass die Klebestruktur 10 zeitlich nacheinander an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels 100 angeordnet wird 343 und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden 362, um die Komponenten zumindest unlösbar miteinander zu dem Zellenstapel 100 zu verbinden.In the 3 In the method shown, it is additionally conceivable that the adhesive structure 10 is arranged 343 one after the other on the at least several components of the provided components of the cell stack 100 and the components are glued 362 one after the other layer by layer by means of the adhesive structure in order to at least permanently connect the components to one another to form the cell stack 100.

4 zeigt Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Zellenstapels 100 mehrerer elektrochemischer Zellen. Die Separatorplatten 81, 82, 83, 84, 85, besser noch die Separatorplattenhälften 88, 89 werden mittels zumindest einer Düse 501 mit Plasma 502 vorbehandelt, so dass die Oxidschichten auf den Separatorplattenhälften 88, 89 entfernt wird. Diese Vorbehandlung erfolgt bevorzugt mit Wasserstoffplasma. 4 shows method steps of a method according to the invention for producing the cell stack 100 of several electrochemical cells. The separator plates 81, 82, 83, 84, 85, or better still the separator plate halves 88, 89, are pretreated with plasma 502 by means of at least one nozzle 501, so that the oxide layers on the separator plate halves 88, 89 are removed. This pretreatment is preferably carried out with hydrogen plasma.

Mit einer Applizierungsvorrichtung 505, welche auch die Vorrichtung 400 der Ausführung der 2 sein kann, wird die Klebestruktur 10 anschließend auf die Separatorplattenhälften 88, 89 appliziert. Die Applizierung der Klebestruktur 10 kann vorteilhafterweise durch folgende Verfahren erfolgen:

  • - Schablonendruck,
  • - Siebdruck,
  • - Walzendruck,
  • - Tampondruck, siehe hierzu auch Ausführung nach 2.
With an application device 505, which also includes the device 400 for executing the 2 The adhesive structure 10 is then applied to the separator plate halves 88, 89. The application of the adhesive structure 10 can advantageously be carried out by the following methods:
  • - stencil printing,
  • - Screen printing,
  • - roller printing,
  • - Pad printing, see also version according to 2 .

5 zeigt einen Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannt Separatorplatte 81, 82, 83, 84, 85 aus zwei Separatorplattenhälften 88, 89 einer elektrochemischen Zelle, welche bevorzugt als Elektrolysezelle oder Brennstoffzelle gestaltet ist. Die Separatorplattenhälfte 88 bildet ein Anodenströmungsfeld 102 aus, und die Separatorplattenhälfte 89 bildet ein Kathodenströmungsfeld 103 aus. Zwischen den beiden Separatorplattenhälften 88, 89 ist die Kühlseite 104 der Separatorplatte 81, 82, 83, 84, 85 ausgebildet. Die Separatorplattenhälften 88, 89 weisen je eine kühlseitige Beschichtung 121 und eine strömungsfeldseitige Beschichtung 122 auf. 5 shows a section through a separator plate 81, 82, 83, 84, 85 known from the prior art, made up of two separator plate halves 88, 89 of an electrochemical cell, which is preferably designed as an electrolysis cell or fuel cell. The separator plate half 88 forms an anode flow field 102, and the separator plate half 89 forms a cathode flow field 103. The cooling side 104 of the separator plate 81, 82, 83, 84, 85 is formed between the two separator plate halves 88, 89. The separator plate halves 88, 89 each have a cooling-side coating 121 and a flow-field-side coating 122.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann nun insbesondere die kühlseitige Beschichtung 121 entfallen. Die kühlseitige Beschichtung 121 wird quasi durch die elektrisch sehr gut leitende Klebestruktur 10, insbesondere durch den zweiten Klebstoff K2, ersetzt. Analog kann auch die strömungsfeldseitige Beschichtung 122 entfallen und dort ebenfalls durch die elektrisch sehr gut leitende Klebestruktur 10, insbesondere durch den zweiten Klebstoff K2, ersetzt werden.The method according to the invention now makes it possible to omit the cooling-side coating 121 in particular. The cooling-side coating 121 is essentially replaced by the electrically highly conductive adhesive structure 10, in particular by the second adhesive K2. Similarly, the flow-field-side coating 122 can also be omitted and replaced there too by the electrically highly conductive adhesive structure 10, in particular by the second adhesive K2.

Claims (11)

Verfahren zum Herstellen eines Zellenstapels (100), wobei der Zellenstapel (100) als Komponenten zumindest umfasst: - mehrere Membran-Elektroden-Einheiten (91, 92, 93, 94), - mehrere Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) oder mehrere Separatorplattenhälften, und wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen (320) der Komponenten des Zellenstapels (100), - Entfernen einer Oxidschicht auf den Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) mittels Plasmavorbehandlung, - Anordnen (340) einer Klebestruktur (10) an zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels (100), - Verkleben (360) aller bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels (100) mittels der Klebestruktur (10), um die Komponenten unlösbar mittels der Klebestruktur (10) miteinander zu dem Zellenstapel (100) zu verbinden.Method for producing a cell stack (100), wherein the cell stack (100) comprises as components at least: - several membrane electrode units (91, 92, 93, 94), - several separator plates (81, 82, 83, 84, 85) or several separator plate halves, and wherein the method comprises: - Providing (320) the components of the cell stack (100), - removing an oxide layer on the separator plates (81, 82, 83, 84, 85) by means of plasma pretreatment, - arranging (340) an adhesive structure (10) on at least several components of the provided components of the cell stack (100), - gluing (360) all provided components of the cell stack (100) by means of the adhesive structure (10) in order to permanently connect the components to one another to form the cell stack (100) by means of the adhesive structure (10). Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmavorbehandlung eine Wasserstoffplasmavorbehandlung ist.Procedure according to Claim 1 characterized in that the plasma pretreatment is a hydrogen plasma pretreatment. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) keine kühlseitigen Beschichtungen (121) aufweisen.Procedure according to Claim 1 or 2 characterized in that the separator plates (81, 82, 83, 84, 85) have no cooling-side coatings (121). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) keine strömungsfeldseitigen Beschichtungen (122) aufweisen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the separator plates (81, 82, 83, 84, 85) have no coatings (122) on the flow field side. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestruktur (10) derart zumindest an einer jeweiligen Randfläche (RB) mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird (341) und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur (10) zumindest abgedichtet sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive structure (10) is arranged (341) at least on a respective edge surface (RB) of several components of the provided components and is designed such that the bonded components are at least sealed by means of the adhesive structure (10). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestruktur (10) zumindest abschnittsweise in einem jeweiligen Aktivbereich (AB) mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet wird (342) und derart ausgebildet ist, dass die verklebten Komponenten mittels der Klebestruktur (10) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive structure (10) is arranged (342) at least in sections in a respective active region (AB) of several components of the components provided and is designed such that the bonded components are electrically conductively connected to one another by means of the adhesive structure (10). Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestruktur (10) zumindest abschnittsweise einen ersten Klebstoff (K1) und zumindest abschnittsweise einen zweiten Klebstoff (K2) aufweist, wobei der erste Klebstoff (K1) abdichtend und elektrisch isolierend ist und/oder der zweite Klebstoff (K2) elektrisch leitend ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive structure (10) has at least in sections a first adhesive (K1) and at least in sections a second adhesive (K2), wherein the first adhesive (K1) is sealing and electrically insulating and/or the second adhesive (K2) is electrically conductive. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestruktur (10) zeitlich nacheinander an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Zellenstapels (100) angeordnet wird (343) und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden (362), um die Komponenten unlösbar miteinander zu dem Zellenstapel (100) zu verbinden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adhesive structure (10) is arranged (343) one after the other on the at least several components of the provided components of the cell stack (100) and the components are glued layer by layer one after the other by means of the adhesive structure (362) in order to permanently connect the components to one another to form the cell stack (100). Zellenstapel (100), wobei der Zellenstapel (100) mit einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist, und wobei der Zellenstapel (100) frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Zellenstapels (100) mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung (SR) des Zellenstapels (100) ist.Cell stack (100), wherein the cell stack (100) is manufactured using a method according to one of the preceding claims, and wherein the cell stack (100) is free of a mechanical clamping means for clamping the cell stack (100) by means of a clamping force in a direction along a stacking direction (SR) of the cell stack (100). Zellenstapel (100) nach Anspruch 9, wobei der Zellenstapel (100) Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) aufweist, die keine kühlseitige Beschichtung (121) aufweisen.Cell stack (100) after Claim 9 , wherein the cell stack (100) has separator plates (81, 82, 83, 84, 85) which do not have a cooling side coating (121). Zellenstapel (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Zellenstapel (100) Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) aufweist, die keine strömungsfeldseitige Beschichtung (122) aufweisen.Cell stack (100) after Claim 9 or 10 , wherein the cell stack (100) has separator plates (81, 82, 83, 84, 85) which have no flow field-side coating (122).
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