DE102020216104A1 - Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (3), mindestens eine Gasdiffusionslage (5) und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran (7), wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) eine Beschichtung (9) als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung (9) elektrisch leitfähig ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran, wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage eine Beschichtung angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels.
  • Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
  • Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran als Elektrolyt auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
  • Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
  • Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
  • Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
  • Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
  • Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms.
  • Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird. Häufig ist die Membran mit einem Katalysator beschichtet und wird als Catalyst Coated Membrane (CCM) bezeichnet.
  • Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Bipolarplatten weisen üblicherweise ein wellenförmiges Profil auf, in dem sich Kanäle und Stege abwechseln. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Ferner kann durch die kanalartigen Strukturen der Bipolarplatten ein Kühlmedium zur Abführung von Wärme durch die Brennstoffzelle geleitet werden.
  • Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zum Elektrolyten.
  • Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen in der Regel eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, die zusammengeführt werden und eine Biopolarplatte bilden.
  • Üblicherweise werden Gasdiffusionslage und Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel aufeinandergepresst, wodurch ein elektrischer Kontakt in Form eines Presskontakts entsteht. Hierbei sinkt mit höherer Presskraft der Übergangswiderstand zwischen Gasdiffusionslage und Bipolarplatte. Mit höherer Presskraft steigt jedoch gleichzeitig das Risiko zur Beschädigung der Gasdiffusionslage, die üblicherweise aus Carbonfasern aufgebaut ist, die zum Beispiel mittels Teflon miteinander verklebt sind. Insbesondere steigt das Risiko der Beschädigung der Carbonfasern. Darüber hinaus nimmt durch ein starkes Verpressen eine Porosität der Gasdifffusionslage ab, was zu einer schlechteren Gasverteilung im Brennstoffzellenstapel führen kann. Auch wird die Gasverteilung über die Fläche, insbesondere der Membran, inhomogen.
  • Die Auswirkungen des Pressdrucks auf die Gasdiffusionslage sind in Mason et al., „Effect of Clamping Pressure on Ohmic Resistance and Compression of Gas Diffusion Layers for Polymer Electrolyte Fuel Cells“, Journal of Power Sources, Volume 219, pages 52 - 59, 2012, beschrieben.
  • Es ist bekannt, dass Gasdiffusionslagen (GDL) und katalysatorbeschichtete Membranen (CCM) miteinander verklebt werden, so dass die Membran-Elektroden-Einheit entsteht, die dann auf die Bipolarplatte gelegt und mit dieser gestapelt wird. Sowohl Carbonfasern als auch Teflon weisen jedoch schlechte Eigenschaften zum Verkleben auf, da nur wenig adhäsive Kräfte aufgebaut werden können.
  • DE 11 2005 002 974 B4 beschreibt ein Verfahren zum Erhöhen der Klebkraft zwischen zu verklebenden Elementen einer Brennstoffzellen-Membran-Elektroden-Anordnung.
  • DE 102 24 452 C1 ist auf eine protonenleitende Polymermembran gerichtet. Eine mit Katalysator beschichtete, protonenleitende Polymermembran ist Teil einer Membran-Elektroden-Einheit, die kathoden- und anodenseitig jeweils über eine Gasverteilerstruktur und eine Diffusionsschicht verfügt. Klebereigenschaften einer Katalysatorschicht oder der Membran werden verbessert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Brennstoffzellenstapel umfassend mindestens eine Bipolarplatte, mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran, vorgeschlagen, wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage eine Beschichtung als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung elektrisch leitfähig ist.
  • Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte:
    1. a. Bereitstellen der mindestens einen Bipolarplatte, der mindestens einen Gasdiffusionslage und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran,
    2. b. Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung umfassend ein Beschichtungsmaterial auf die mindestens eine Bipolarplatte und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage,
    3. c. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte, der mindestens einen Gasdiffusionslage und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran, und Verbinden der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels der elektrisch leitenden Beschichtung, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage hergestellt wird, und
    4. d. Härten des Beschichtungsmaterials.
  • Die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage sind bevorzugt mittels der Beschichtung stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Mehr bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage mittels der Beschichtung stoffschlüssig miteinander verbunden. Weiter bevorzugt sind die mindestens eine Gasdiffusionslage und die mindestens eine Bipolarplatte mit einem Anpressdruck von nicht mehr als 1,4 N/mm2 miteinander verbunden. Bevorzugt werden die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage mit einem Anpressdruck von weniger als 1,4 N/mm2 gestapelt. Insbesondere bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage ausschließlich stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
  • Die Gasdiffusionslage umfasst bevorzugt Fasern, insbesondere Carbonfasern und eine Matrix, die insbesondere Teflon umfasst. Weiter bevorzugt besteht die mindestens eine Gasdiffusionslage aus Carbonfasern und Teflon.
  • Bevorzugt ist die Beschichtung an die Fasern der mindestens einen Gasdiffusionslage anformbar, insbesondere angeformt, was die formschlüssige Verbindung der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage ermöglicht.
  • Die stoffschlüssige Verbindung kann auch als Adhäsion oder Klebverbindung bezeichnet werden. Insbesondere werden die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Gasdiffusionslage durch die Beschichtung miteinander verklebt. Die Beschichtung kann auch als Kleber oder Klebstoff bezeichnet werden.
  • Die Beschichtung weist bevorzugt einen geringen Übergangswiderstand zwischen der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen Gasdiffusionslage auf. Der Übergangswiderstand liegt in der Größenordnung von 50 mm Ohm × cm2. Insbesondere ist ein Engewiderstand RE am Übergang von der mindestens einen Bipolarplatte zu der mindestens einen Gasdiffusionslage gering.
  • Bevorzugt umfasst die Beschichtung das Beschichtungsmaterial und das Beschichtungsmaterial enthält weiter bevorzugt einen elektrisch leitfähigen Füllstoff. Insbesondere besteht die Beschichtung aus dem Beschichtungsmaterial enthaltend den elektrisch leitfähigen Füllstoff. Ein Füllstoffgehalt liegt zwischen 5 % und 95 %, bevorzugt zwischen 50 % und 95 %. In chemischer Hinsicht kann das Material zum Beispiel ein Epoxid, ein Acrylat, Polyurethansilikon oder Polyester oder ein Gemisch dieser Materialien sein.
  • Bevorzugt umfasst der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit und/oder ein Metall wie Silber. Weiter bevorzugt besteht der elektrisch leitfähige Füllstoff aus Graphit und/oder dem Metall wie Silber, insbesondere aus Silber.
  • Das Beschichtungsmaterial kann ein Ein-Komponenten-Klebstoff oder ein ZweiKomponenten-Klebstoff sein. Bevorzugt weist das Beschichtungsmaterial vor dem Härten ein tixothropes Fließverhalten auf. Unter einem thixotropen Verhalten wird verstanden, dass die Viskosität des Beschichtungsmaterials in Folge andauernder äußerer Einflüsse abnimmt und nach beendeter Beanspruchung wieder die Ausgangsviskosität annimmt.
  • Bevorzugt ist die Beschichtung auf der mindestens einen Bipolarplatte aufgebracht. Weiter bevorzugt ist die Beschichtung lediglich auf Teilen der Bipolarplatte aufgebracht. Insbesondere bevorzugt weist die mindestens eine Bipolarplatte Stege auf und die Beschichtung ist auf den Stegen, insbesondere nur auf Teilen der Stege, aufgebracht. Die Beschichtung kann auf einer Kathodenseite und/oder einer Anodenseite der Bipolarplatte aufgebracht sein.
  • Durch das thixotrope Fließverhalten ist das Beschichtungsmaterial beim Aufbringen fließfähig und kann präsize, insbesondere auf die Stege der mindestens einen Bipolarplatte, aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen, das auch als Applizieren bezeichnet werden kann, steigt die Viskosität des Beschichtungsmaterials schlagartig an, so dass das Beschichtungsmaterial auf den Stegen verbleibt und nicht abfließt.
  • Die Stege der mindestens einen Bipolarplatte weisen bevorzugt jeweils eine Stegbreite in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm, weiter bevorzugt von 0,5 mm bis 1 mm, auf. Ferner sind die Stege der mindestens einen Bipolarplatte bevorzugt in einem Abstand von einander in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm, weiter bevorzugt von 1,25 mm bis 1,60 mm, angeordnet. Zwischen den Stegen befinden sich bevorzugt Täler, die auch als Kanäle bezeichnet werden können. Die Täler besitzen bevorzugt eine Tiefe in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm, weiter bevorzugt von 0,45 mm bis 0,60 mm. Auf den Stegen liegt bevorzugt ein Kontakt zu der mindestens einen Gasdiffusionslage mit einer Kontaktbreite in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, weiter bevorzugt von 0,15 mm bis 0,3 mm vor. Das Beschichtungsmaterial bedeckt bevorzugt zumindest die Kontaktbreite der Stege.
  • Das Härten des Beschichtungsmaterials wird bevorzugt bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 90°C, weiter bevorzugt von 15°C bis 80°C, ausgeführt.
  • Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann zum Beispiel mittels Dosieren oder Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Beim Siebdruckverfahren werden, insbesondere gleichzeitig und selektiv, mehrere Bereiche der mindestens einen Bipolarplatte beschichtet. Der Flächenanteil der Bipolarplatte, der eine Beschichtung aufweist, liegt zwischen 5 % und 50 %. Bei der Dosierung werden bevorzugt Mengen des Beschichtungsmaterials in einem Bereich von 0,001 ml bis 9 ml je Dosiervorgang und Position aufgebracht.
  • Bevorzugt werden die mindestens eine Bipolarplatte und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung mittels Plasma vorbehandelt.
  • Auch kann die mindestens eine Gasdiffusionslage zusammen mit der mindestens einen, insbesondere katalysatorbeschichteten, Membran eine Membran-Elektroden-Anordnung bilden, wobei die mindestens eine Bipolarplatte entsprechend mit der mindestens einen Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist.
  • Bevorzugt weist die mindestens eine Gasdiffusionslage eine mesoporöse Schicht (MPL) auf. Auch die mesoporöse Schicht, die mindestens eine Membran und/oder ein Rahmen der Membran-Elekroden-Einheit, der auch als Gasket bezeichnet werden kann, kann mittels Plasma vorbehandelt werden.
  • Durch die Vorbehandlung mittels Plasma werden adhäsive Kräfte verstärkt, wobei das Plasma reaktive Gruppen auf der Oberfläche erzeugt, so dass das Beschichtungsmaterial kovalent an diese binden kann. Eine kovalente Verbindung von Carbonfasern kann zum Beispiel über Amingruppen mit einem Epoxid erfolgen. Die Vorbehandlung mittels Plasma wird insbesondere in einer Atmosphäre enthaltend Luft, insbesondere Sauerstoff durchgeführt. Die Atmosphäre kann unter anderem NH3, N2, SO2, H2O und/oder Luft enthalten. Zur Vorbehandlung mit Plasma können Düsen verschiedener Ausführungsformen eingesetzt werden.
  • Die Vorbehandlung mittels Plasma erfolgt bevorzugt unmittelbar vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung. Hierbei können Schattenmasken eingesetzt werden, so dass die Vorbehandlung mittels Plasma lediglich in ausgewählten Bereichen durchgeführt wird. Auch kann die mindestens eine Membran und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage mittels Plasma vorbehandelt werden, bevor diese zu der Membran-Elektrodenanordnung, insbesondere, insbesondere mittels Kleben, zusammengefügt werden.
  • Bevorzugt wird das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung vor dem Stapeln ausgeführt. Weiterhin wird bevorzugt das Härten nach dem Stapeln ausgeführt.
  • Bevorzugt sind alle in dem Brennstoffzellenstapel enthaltenen Bipolarplatten mit der jeweils angrenzenden Gasdiffusionslage mittels der Beschichtung verbunden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch die Verbindung der mindestens einen Bipolarplatte mit der mindestens einen Gasdiffusionslage mittels der elektrisch leitfähigen Beschichtung wird ein verbesserter elektrischer Kontakt zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage hergestellt, wobei gleichzeitig eine Kraft, wie zum Beispiel eine Presskraft, die auf die Gasdiffusionslage wirkt, signifikant gesenkt beziehungsweise vollständig vermieden werden kann. So können eine Beschädigung der Gasdiffusionslage, insbesondere Schäden an den Fasern oder eine Abnahme der Porosität, vermieden werden und eine Gasverteilung verbessert werden. Ein Übergangswiderstand zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage wird reduziert. Ein Verpressen des Brennstoffzellenstapels zur Sicherstellung eines hinreichend guten elektrischen Kontakts wird überflüssig.
  • Darüber hinaus wird durch die Beschichtung ein Verrutschen der Gasdiffusionslage beziehungsweise der Membran-Elektroden-Anordnung auf der Bipolarplatte beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels verhindert.
  • Weiterhin sind beispielsweise gegenüber einer Verbindung durch Schweißen beim elektrisch leitfähigen Kleben lediglich geringe Härtungstemperaturen notwendig, die den Anwendungstemperaturen einer Brennstoffzelle entsprechen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik,
    • 2 einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
    • 3 eine Bipolarplatte,
    • 4 einen Querschnitt einer Bipolarplatte,
    • 5 einen Ausschnitt eines Querschnitts einer Bipolarplatte und
    • 6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 1 gemäß dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Schichtung von Bipolarplatten 3 und Gasdiffusionslagen 5. Ferner ist eine Membran 7 dargestellt. Durch eine Anpresskraft 15 wird ein elektrischer Kontakt 17 zwischen jeweils einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 hergestellt. Durch die Bipolarplatten 3 strömen einerseits Wasserstoff 19 und andererseits Luft 21 und Wasser 23, die jeweils durch eine Gasdiffusionslage 5 zur Membran 7 gelangen bzw. von dieser entfernt werden. Ferner werden Elektronen 25 durch die Bipolarplatten 3 geleitet.
  • 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1. Im Gegensatz zum Brennstoffzellenstapel 1 gemäß dem Stand der Technik nach 1 liegt an dem in 2 gezeigten Brennstoffzellenstapel 1 keine Anpresskraft 15 vor. Gemäß 2 wird ein elektrischer Kontakt 17 zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 durch eine Beschichtung 9, die elektrisch leitfähig ist und ein Beschichtungsmaterial 13 umfasst, hergestellt. Im vorstehenden Zusammenhang ist unter „elektrisch leitfähig“ eine elektrische Leitfähigkeit zu verstehen, die größer als 100 S/m ist. Die Beschichtung 9 ist jeweils zwischen einer Gasdiffusionslage 5 und einer Bipolarplatte 3 angeordnet und verbindet diese stoffschlüssig und formschlüssig miteinander. Ferner ist die Beschichtung 9 lokal auf Stegen 11 der Bipolarplatten 3 angeordnet.
  • 3 zeigt eine Bipolarplatte 3 in einer Draufsicht sowie einen Ausschnitt der Bipolarplatte 3 in perspektivischer Ansicht. Wasserstoff 19 und Luft 21 werden zugeführt sowie nicht verbrauchter Wasserstoff 19 und nicht verbrauchte Luft 21 abgeführt. Darüber hinaus wird ein Kühlmedium 27 durch die Bipolarplatte 3 geleitet.
  • Weiterhin ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Mitte der Bipolarplatte 3 gezeigt, an dem Stege 11 der Bipolarplatte 3 erkennbar sind. Auf einem gezeigten Steg 11 ist die Beschichtung 9 angeordnet.
  • 4 zeigt den Ausschnitt der Bipolarplatte 3 gemäß 3 in einer Querschnittsansicht. Das wellenförmige Profil der Bipolarplatte 3 mit den Stegen 11 wird deutlich.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt einer Querschnittsansicht einer Bipolarplatte 3. Die Bipolarplatte 3 weist Stege 11 und Täler 29 auf. Die Stege 11 besitzen eine Stegbreite 31 und weisen einen Abstand 33 zueinander auf. Auf den Stegen 11 liegt eine Kontaktbreite 35 vor. Die Täler 29 besitzen eine Tiefe 37 und eine Talbreite 39.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 1. Zwei Gasdiffusionslagen 5 werden partiell mit einer Beschichtung 9 versehen. Zwischen den Gasdiffusionslagen 5, die die Beschichtung 9 aufweisen, wird eine Bipolarplatte 3 mit einer Dichtung 41 angeordnet und stoffschlüssig durch die Beschichtung 9 mit den Gasdiffusionslagen 5 verbunden.
  • Alternativ kann eine Bipolarplatte 3, die bereits eine Dichtung 41 aufweist, partiell mit der Beschichtung 9 versehen werden. Dann können zwei Gasdiffusionslagen 5 auf jeweils einer Seite der Bipolarplatte 3 angeordnet werden. Auf die Gasdiffusionslagen 5 wird eine Membran 7 mit einem Gasket 43 gelegt. Mehrere Bipolarplatten 3 mit Gasdiffusionslagen 5 und Membranen 7 werden zu dem Brennstoffzellenstapel 1 gestapelt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112005002974 B4 [0016]
    • DE 10224452 C1 [0017]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenstapel (1) umfassend mindestens eine Bipolarplatte (3), mindestens eine Gasdiffusionslage (5) und mindestens einen Elektrolyten, insbesondere mindestens eine Membran (7), wobei zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) eine Beschichtung (9) als Verbindungsmittel angeordnet ist und die Beschichtung (9) elektrisch leitfähig ist.
  2. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) mittels der Beschichtung (9) stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
  3. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9) ein Beschichtungsmaterial (13) umfasst und das Beschichtungsmaterial (13) einen elektrisch leitfähigen Füllstoff enthält.
  4. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Füllstoff Graphit und/oder ein Metall wie Silber umfasst.
  5. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) Stege (11) aufweist und die Beschichtung (9) auf den Stegen (11) aufgebracht ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen der mindestens einen Bipolarplatte (3), der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran (7), b. Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (9) umfassend das Beschichtungsmaterial (13) auf die mindestens eine Bipolarplatte (3) und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (5), c. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte (3), der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) und des mindestens einen Elektrolyten, insbesondere der mindestens einen Membran (7) und Verbinden der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) mittels der elektrisch leitenden Beschichtung (9), so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Bipolarplatte (3) und der mindestens einen Gasdiffusionslage (5) hergestellt wird, und d. Härten des Beschichtungsmaterials (13).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und/oder die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Beschichtung (9) mittels Plasma vorbehandelt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (13) vor dem Härten ein thixotropes Fließverhalten aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten des Beschichtungsmaterials (13) bei einer Temperatur in einem Bereich von 10°C bis 90°C ausgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bipolarplatte (3) und die mindestens eine Gasdiffusionslage (5) mit einem Anpressdruck von weniger als 1,4 N/mm2 gestapelt werden.
DE102020216104.6A 2020-12-17 2020-12-17 Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung Pending DE102020216104A1 (de)

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