DE102022212229A1

DE102022212229A1 - Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, Brennstoffzellenstapel sowie Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022212229A1
Application number: DE102022212229.1A
Authority: DE
Inventors: Xiaofeng Yan; Yang Zou
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-05-23

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (100), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) als Komponenten zumindest eine Anoden-Endplatte (71), mehrere Membran-Elektroden-Einheiten (91, 92, 93, 94), mehrere Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) oder mehrere Separatorplattenhälften und eine Kathoden-Endplatte (72) umfasst. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen (320) der Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100). Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen (340) einer Klebestruktur (10) an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100). Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben (360) aller Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100) mittels der Klebestruktur (10), um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur (10) miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel (100) zu verbinden.

Description

Stand der Technik
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.
Konventionell werden 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 Brennstoffzellenstapel bspw. über ein mechanisches Spannmittel mit hoher Kraft verspannt gehalten.
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 Bipolarplatte gedrückt werden, sodass es zu einer Verstopfung der Kanäle des Flowfields kommen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7, sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und der erfindungsgemäßen Vorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel als Komponenten zumindest eine Anoden-Endplatte, mehrere Membran-Elektroden-Einheiten, mehrere Separatorplatten oder mehrere Separatorplattenhälften und eine Kathoden-Endplatte umfasst. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen der Komponenten des Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen einer Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben aller bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels mittels der Klebestruktur, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden.
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.
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.
Die Separatorplatte kann auch als Bipolarplatte verstanden werden. Die Separatorplattenhälfte kann auch als Bipolarplattenhälfte verstanden werden. Insbesondere können zwei Separatorplattenhälften bzw. zwei Bipolarplattenhälften aneinander angeordnet werden, bspw. miteinander verschweißt und/oder verklebt werden, um eine Separatorplatte bzw. eine Bipolarplatte zu erhalten. Ferner sind die Separatorplatten metallisch, bspw. Edelstahl-Separatorplatten, bzw. sind die Separatorplattenhälften metallisch, bspw. Edelstahl-Separatorplattenhälften. Es ist auch denkbar, dass die Separatorplatten nicht-metallisch, bspw. graphithaltige Separatorplatten, sind bzw. dass die Separatorplattenhälften nicht-metallisch, bspw. graphithaltige Separatorplattenhälften, sind.
Das Anordnen der Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt erfolgen. Es ist alternativ oder zusätzlich auch denkbar, dass die Klebestruktur an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels bspw. mittels eines Dosierverfahrens und/oder eines Inkjet-Verfahrens aufgebracht wird.
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 Brennstoffzellenstapels 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.
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 Brennstoffzellenstapels 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.
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 Brennstoffzellenstapels 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.
Das Verkleben aller Komponenten des Brennstoffzellenstapels mittels der Klebestruktur erfolgt insbesondere ferner derart, dass zwischen benachbarten Komponenten jeweils zumindest ein Teil der Klebestruktur angeordnet ist.
Durch das Verkleben aller Komponenten des Brennstoffzellenstapels mittels der Klebestruktur, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden, kann bei einem fertig hergestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ein Verpressen des Brennstoffzellenstapels weggelassen werden oder nur eine leichte Verspannung erfolgen. 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 Brennstoffzellenstapels und ein Verrutschen einer Komponente oder mehrerer Komponenten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft geringgehalten werden. Ferner kann somit ein Brennstoffzellenstapel frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels mittels einer Spannkraft, insbesondere in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels, sein. Da ein Klebeprozess ein industrieller Prozess ist, ermöglicht dies eine serientaugliche Fertigung mit geringer Taktzeit und somit hoher Produktionskapazität.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoffzellenstapel ferner als weitere Komponenten einen Plus-Stromabnehmer für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels und/oder einen Minus-Stromabnehmer für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels und/oder eine erste Isolierplatte zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Brennstoffzellenstapels und/oder eine zweite Isolierplatte zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Brennstoffzellenstapels aufweist, wobei die weitere Komponente oder die weiteren Komponenten mitbereitgestellt werden und verklebt werden. Somit kann der Brennstoffzellenstapel 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 Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels verbunden sein. Der Plus-Stromabnehmer kann mit der Anoden-Endplatte des Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels, zum Abdichten des Brennstoffzellenstapels verzichtet werden. Als Randfläche ist insbesondere eine Fläche in einer Nähe eines Randes einer Plattenseite einer Komponente des Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels an der jeweiligen Randfläche die Klebestruktur eine umlaufende Dichtung ausbilden. Somit kann besonders sicher verhindert werden, dass Prozessfluide des Brennstoffzellenstapels, bspw. ein Kathodengas und/oder ein Anodengas und/oder ein Kühlfluid, zwischen den Komponenten aus dem Brennstoffzellenstapel 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.
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 Brennstoffzellenstapels in dem Aktivbereich besonders geringgehalten wird. Ferner wird somit sichergestellt, dass die Komponenten über einen Großteil des Brennstoffzellenstapels miteinander verklebt sind. Als Aktivbereich der Komponenten des Brennstoffzellenstapels 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.
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 Brennstoffzellenstapel 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 Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels besonders kostengünstig sein. Ferner kann der erste Klebstoff standfest sein und/oder kann der zweite Klebstoff standfest sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Klebestruktur zeitlich nacheinander an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels angeordnet wird und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden, um die Komponenten zumindest unlösbar miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann bspw. Komponente für Komponente des Brennstoffzellenstapels in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels miteinander verklebt werden. Somit kann das Herstellen des Brennstoffzellenstapels besonders einfach erfolgen.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist, und wobei der Brennstoffzellenstapel frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ist, wobei insbesondere das mechanische Spannmittel an dem Brennstoffzellenstapel angreift.
Das mechanische Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels ist bspw. ein Zuganker oder mehrere Zuganker. Dazu werden in der Regel alle Komponenten des Brennstoffzellenstapels über vier oder mehr Zuganker mit Hilfe von Muttern mechanisch verspannt. Die Zuganker können außerhalb des Brennstoffzellenstapels angebracht oder auch in diesen integriert ausgeführt werden. Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß aufgrund der Verklebung der Komponenten des Brennstoffzellenstapels auf ein mechanisches Spannmittel, welches bspw. an dem Brennstoffzellenstapel angreift, verzichtet werden und der Brennstoffzellenstapel kann besonders einfach ausgebildet sein.
Der Brennstoffzellenstapel 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.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum zumindest abschnittsweisen Anordnen einer Klebestruktur mit zumindest einem ersten Klebstoff und einem von dem ersten Klebstoff unterschiedlichen zweiten Klebstoff an zumindest eine Komponente eines Brennstoffzellenstapels für ein Herstellen des Brennstoffzellenstapels. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen ersten Klebstoffbehälter zum Aufnehmen des ersten Klebstoffes. Ferner umfasst die Vorrichtung zumindest einen zweiten Klebstoffbehälter zum Aufnehmen des zweiten Klebstoffes. Ferner umfasst die Vorrichtung eine erste Ausgabeeinheit zum Ausgeben des ersten Klebstoffes für ein Anordnen zumindest eines ersten Teils der Klebestruktur an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels, wobei die erste Ausgabeeinheit fluidtechnisch mit dem ersten Klebstoffbehälter verbunden ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine zweite Ausgabeeinheit zum Ausgeben des zweiten Klebstoffes für ein Anordnen zumindest eines von dem ersten Teil unterschiedlichen zweiten Teils der Klebestruktur an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels, wobei die zweite Ausgabeeinheit fluidtechnisch mit dem zweiten Klebstoffbehälter verbunden ist.
Insbesondere ist der erste Klebstoff (fluidtechnisch) abdichtend und elektrisch isolierend und/oder ist der zweite Klebstoff elektrisch leitend.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit für das Anordnen der Klebestruktur bewegbar sind. Somit können die Komponenten des Brennstoffzellenstapels bspw. auf einem Förderband bewegt werden und über die bewegbare erste Ausgabeeinheit kann der erste Klebstoff auf eine Komponente ausgegeben werden und über die bewegbare zweite Ausgabeeinheit kann der zweite Klebstoff auf die Komponenten ausgegeben werden. Vorzugsweise sind die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit mechanisch derart miteinander verbunden, dass die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit gemeinsam bewegbar sind. Somit kann die Vorrichtung besonders einfach ausgestaltet sein und das Ausgeben bzw. das Anordnen des ersten Klebstoffes und des zweiten Klebstoffes kann besonders einfach und besonders schnell erfolgen.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit die zweite Ausgabeeinheit umgibt. Somit kann mittels der ersten Ausgabeeinheit besonders einfach der erste Klebstoff der Klebestruktur zumindest an einer jeweiligen Randfläche mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet werden und mittels der zweiten Ausgabeeinheit kann besonders einfach der zweite Klebstoff der Klebestruktur zumindest abschnittsweise in einem jeweiligen Aktivbereich mehrerer Komponenten der bereitgestellten Komponenten angeordnet werden. Bspw. kann sich die zweite Ausgabeeinheit in der Mitte befinden und die erste Ausgabeeinheit befindet sich rundum die zweite Ausgabeeinheit. Ferner kann die erste Ausgabeeinheit einen öffenbaren Boden aufweisen, welcher für das Ausgeben des ersten Klebstoffes geöffnet wird, und/oder kann die zweite Ausgabeeinheit einen öffenbaren Boden aufweisen, welcher für das Ausgeben des zweiten Klebstoffes geöffnet wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit dazu ausgebildet ist, den ersten Klebstoff herauszudrücken und/oder die zweite Ausgabeeinheit dazu ausgebildet ist, den zweiten Klebstoff zu stempeln. Somit kann besonders vorteilhaft an der jeweiligen Randfläche der mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten der erste Klebstoff mit einer Schichthöhe von bspw. 70 bis 600 µm und der zweite Klebstoff in dem jeweiligen Aktivbereich der mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten mit einer Schichthöhe von bspw. 5 bis 100 µm angeordnet werden. Insbesondere erfolgt das Herausdrücken des ersten Klebstoffes mit einem definierten Druck, wobei insbesondere der definierte Druck einstellbar ist, und/oder erfolgt das Stempeln des zweiten Klebstoffes mit einem definierten Druck, wobei insbesondere der definierte Druck einstellbar ist. Durch eine Einstellung des definierten Drucks kann die Schichtdicke des ersten Klebstoffes bzw. kann durch eine Einstellung des Druckes die Schichtdicke des zweiten Klebstoffes definiert werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die erste Ausgabeeinheit dazu ausgebildet ist, den ersten Teil der Klebestruktur an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels in einem Schritt anzuordnen und/oder dass die zweite Ausgabeeinheit dazu ausgebildet ist, den zweiten Teil der Klebestruktur an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels in einem Schritt anzuordnen. Mit anderen Worten erfolgt das Anordnen des ersten Teils der Klebestruktur durch die erste Ausgabeeinheit auf einmal, bspw. durch ein Herausdrücken des ersten Klebestoffes bzw. erfolgt das Anordnen des zweiten Teils der Klebestruktur durch die zweite Ausgabeeinheit auf einmal, bspw. durch ein Stempeln des zweiten Klebstoffes. Somit kann das Anordnen der Klebestruktur besonders schnell erfolgen und eine Produktionsgeschwindigkeit zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels besonders hoch sein. Weiter ist denkbar, dass die erste Ausgabeeinheit und die zweite Ausgabeeinheit derart ausgebildet sind, dass die erste Ausgabeeinheit den ersten Klebstoff ausgibt und die zweite Ausgabeeinheit gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig den zweiten Klebstoff ausgibt. Somit kann das Anordnen der Klebestruktur besonders schnell erfolgen.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, die Klebestruktur, wie sie zu dem ersten Aspekt beschrieben ist, an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels anzuordnen.
Die Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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.
Es zeigen schematisch:

1 einen Brennstoffzellenstapel,
2 eine Vorrichtung, und
3 ein Verfahren.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
1 offenbart schematisch in einer perspektivischen Ansicht einen Brennstoffzellenstapel 100, wobei der Brennstoffzellenstapel als Komponenten eine erste Isolierplatte 51 zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Brennstoffzellenstapels 100, einen Plus-Stromabnehmer 61 für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels 100, sowie eine zweite Isolierplatte 52 zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Brennstoffzellenstapels 100 aufweist. Die Komponenten sind entlang einer Stapelrichtung SR des Brennstoffzellenstapels 100 gestapelt und mittels einer Klebestruktur 10 (nicht dargestellt) verklebt, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur 10 miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel 100 zu verbinden.
Bei dem in 1 dargestellten Brennstoffzellenstapel ist zusätzlich ferner denkbar, dass der Brennstoffzellenstapel 100 frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels 100 mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung SR des Brennstoffzellenstapels 100 ist.
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 Brennstoffzellenstapels 100 für ein Herstellen des Brennstoffzellenstapels 100. 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 Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels 100, wobei die zweite Ausgabeeinheit 422 fluidtechnisch mit dem zweiten Klebstoffbehälter 421 verbunden ist.
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 Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapels 100 in einem Schritt, insbesondere in einem gemeinsamen Schritt mit der ersten Ausgabeeinheit 412, anzuordnen.
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.
3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels 100, wie er bspw. zu 1 beschrieben ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen 320 der Komponenten des Brennstoffzellenstapels 100. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anordnen 340 einer Klebestruktur 10 an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels 100. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Verkleben 360 aller bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels 100 mittels der Klebestruktur 10, um die Komponenten zumindest unlösbar mittels der Klebestruktur 10 miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel 100 zu verbinden.
Bei dem in 3 dargestellten Verfahren ist zusätzlich denkbar, dass der Brennstoffzellenstapel 100 ferner als weitere Komponenten einen Plus-Stromabnehmer 61 für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels 100 und/oder einen Minus-Stromabnehmer 62 für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels 100 und/oder eine erste Isolierplatte 51 zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Brennstoffzellenstapels 100 und/oder eine zweite Isolierplatte 52 zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Brennstoffzellenstapels 100 aufweist, wobei die weitere Komponente oder die weiteren Komponenten mitbereitgestellt 321 und verklebt werden 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. 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 Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet wird 343 und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden 362, um die Komponenten zumindest unlösbar miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel 100 zu verbinden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (100), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) als Komponenten zumindest umfasst: - eine Anoden-Endplatte (71), - mehrere Membran-Elektroden-Einheiten (91, 92, 93, 94), - mehrere Separatorplatten (81, 82, 83, 84, 85) oder mehrere Separatorplattenhälften, - eine Kathoden-Endplatte (72), und wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen (320) der Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100), - Anordnen (340) einer Klebestruktur (10) an zumindest mehrere Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100), - Verkleben (360) aller bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100) mittels der Klebestruktur (10), um die Komponenten unlösbar mittels der Klebestruktur (10) miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel (100) zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (100) ferner als weitere Komponenten einen Plus-Stromabnehmer (61) für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels (100) und/oder einen Minus-Stromabnehmer (62) für ein elektrisches Kontaktieren des Brennstoffzellenstapels (100) und/oder eine erste Isolierplatte (51) zum elektrischen Isolieren eines ersten Endes des Brennstoffzellenstapels (100) und/oder eine zweite Isolierplatte (52) zum elektrischen Isolieren eines zweiten Endes des Brennstoffzellenstapels (100) aufweist, wobei die weitere Komponente oder die weiteren Komponenten mitbereitgestellt (321) und verklebt werden (361).
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebestruktur (10) zeitlich nacheinander an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet wird (343) und die Komponenten schichtweise nacheinander mittels der Klebestruktur verklebt werden (362), um die Komponenten unlösbar miteinander zu dem Brennstoffzellenstapel (100) zu verbinden.
Brennstoffzellenstapel (100), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) mit einem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist, und wobei der Brennstoffzellenstapel (100) frei von einem mechanischen Spannmittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels (100) mittels einer Spannkraft in einer Richtung entlang einer Stapelrichtung (SR) des Brennstoffzellenstapels (100) ist, wobei insbesondere das mechanische Spannmittel an dem Brennstoffzellenstapel (100) angreift.
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 Brennstoffzellenstapels (100) für ein Herstellen des Brennstoffzellenstapels (100), wobei die Vorrichtung (400) zumindest umfasst: - einen ersten Klebstoffbehälter (411) zum Aufnehmen des ersten Klebstoffes (K1), - einen zweiten Klebstoffbehälter (421) zum Aufnehmen des zweiten Klebstoffes (K2), - eine erste Ausgabeeinheit (412) zum Ausgeben des ersten Klebstoffes (K1) für ein Anordnen zumindest eines ersten Teils (11) der Klebestruktur (10) an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels (100), wobei die erste Ausgabeeinheit (412) fluidtechnisch mit dem ersten Klebstoffbehälter (411) verbunden ist, - eine zweite Ausgabeeinheit (422) zum Ausgeben des zweiten Klebstoffes (K2) für ein Anordnen zumindest eines von dem ersten Teil (11) unterschiedlichen zweiten Teils (12) der Klebestruktur (10) an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels (100), wobei die zweite Ausgabeeinheit (422) fluidtechnisch mit dem zweiten Klebstoffbehälter (421) verbunden ist.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgabeeinheit (412) und die zweite Ausgabeeinheit (422) für das Anordnen der Klebestruktur (10) bewegbar sind.
Vorrichtung (400) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgabeeinheit (412) die zweite Ausgabeeinheit (422) umgibt.
Vorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, 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.
Vorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausgabeeinheit (412) dazu ausgebildet ist, den ersten Teil (11) der Klebestruktur (10) an die zumindest eine Komponente des Brennstoffzellenstapels (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 Brennstoffzellenstapels (100) in einem Schritt anzuordnen.
Vorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (400) dazu ausgebildet ist, die Klebestruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 an die zumindest mehreren Komponenten der bereitgestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels (100) anzuordnen.