Titel

Stapelstruktur für einen elektrochemischen Energiewandler und Verfahren zum Herstellen der Stapelstruktur

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stapelstruktur für einen elektrochemischen Energiewandler, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Stapelstruktur.

Stand der Technik

Ein elektrochemischer Energiewandler in Form eines Brennstoffzellenstapels besteht aus einer Vielzahl von im Wesentlichen gleich ausgebildeten Einzelzellen, jeweils aufgebaut aus einer Bipolarplatte und einer Membran- Elektroden- Einheit (MEA), die zu einem Stapel aufgeschichtet werden. In jeder Einzelzelle werden verschiedene Medien bzw. Prozessfluide, in der Regel Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel, in unterschiedlichen Ebenen geführt. Dem Brennstoffzellenstapel werden die Prozessfluide über in Stapelrichtung verlaufende Manifolds bzw. einer entsprechenden Prozessfluidleitstruktur zugeführt und in der Regel über weitere Manifolds der Prozessfluidleitstruktur wieder abgeführt. Das heißt, die Prozessfluidleitstruktur weist in der Regel Kanäle zum Zuleiten von Prozessfluiden zu jeder Brennstoffzelle sowie Kanäle zum Ableiten von Prozessfluiden von jeder Brennstoffzelle auf. An den jeweiligen Brennstoffzellen sorgen in einem Aktivbereich sogenannte Flowfields bzw. Strömungsfelder für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Prozessfluide über die aktive Fläche der Einzelzellen.

Bipolarplatten können aus zwei oder mehr Einzellagen bestehen, die durch Schweißen oder Kleben stoffschlüssig miteinander gefügt werden können. In Hohlräumen, die zwischen zwei gefügten Einzellagen gebildet sind, kann ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, geführt werden. Auf einer der zweiten Einzellage jeweils abgewandten Seite kann ein Prozessfluid wie Wasserstoff oder Luft geführt werden. Zwischen zwei Bipolarplatten liegt jeweils eine Membran- Elektroden- Einheit, die in der Regel eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) und zwei Gasdiffusionslagen (GDL) umfasst. Außerdem kann die Membran- Elektroden- Einheit noch einen zusätzlichen Verstärkungsrahmen bzw. eine Rahmendichtung (Subgasket) aus einer oder mehreren Folienlagen umfassen, welcher bzw. welche die katalysatorbeschichtete Membran der Membran-Elektroden-Einheit an ihrem äußeren Umfang zumindest teilweise umschließt.

Die verschiedenen Medienräume des Brennstoffzellenstapels müssen gegeneinander und zur Umgebung hin abgedichtet werden. Dazu können verschiedene Füge- und/oder Dichtverfahren angewendet werden, wie beispielsweise Schweißen, Kleben und das Aufbringen von metallischen und/oder elastomeren Dichtungen. Beispielsweise kann die Abdichtung zweier Lagen einer Bipolarplatte durch Schweißen erfolgen, während die Abdichtung zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Einheit mit Elastomerdichtungen erfolgt. Elastomerdichtungen können an der Bipolarplatte, an einem separaten Träger, oder an einem Bestandteil der Membran- Elektrodenanordnung, wie der Rahmendichtung oder der Gasdiffusionslage, festgelegt sein.

In einem Übergangsbereich in das Strömungsfeld kreuzen sich die Füge- und/oder Dichtlinien. Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung der hierzu nötigen Mediendurchführungen und Dichtstrukturen bekannt.

In der DE 10394 231 T5 wird beschrieben, dass Dichtungslinien im Bereich der Mediendurchführungen orthogonal zur Stapelrichtung versetzt angeordnet werden können, so dass Medien über Durchbrüche in der Bipolarplatte an den Dichtungen vorbeigeführt werden können. In der dort beschriebenen Ausführungsform müssen die Bipolarplatten asymmetrisch ausgeführt und im Stapelprozess zur benachbarten Bipolarplatte jeweils um 180° um die Stapelachse verdreht aufgelegt werden. In den Patentanmeldungen US 2012/0164560 Al, US 2009/0197147 Al und DE10 248531 Al wird beschrieben, dass eine metallisch gestützte Sickendichtung, ggf. in Kombination mit einer auf die Sicke aufgebrachten Elastomerdichtung, eingesetzt werden kann, um Gasräume auf Anoden- und Kathodenseite gegenüber einer Subgasket bzw. Rahmendichtung abzudichten. Die Medienzuführungen können über Durchbrüche in den Sicken realisiert werden, wodurch ein Hohlraum zwischen den beiden Einzellagen einer Bipolarplatte, durch die die Prozessfluide strömen, nach außen hin abgedichtet werden muss.

In der DE 10 2014 104017 Al wird beschrieben wie die beiden Lagen einer Bipolarplatte im Bereich der Prozessfluidzuführung zwischen Manifolds bzw. einer Prozessfluidleitstruktur und einem jeweiligen Strömungsfeld voneinander beabstandet ausgeführt werden. Die Prozessfluide können im entstehenden Raum zwischen den beiden Lagen der jeweiligen Bipolarplatte zwischen Prozessfluidleitstruktur und Strömungsfeld geführt werden. Für Prozessfluide, die innerhalb der aktiven Fläche nicht zwischen den beiden Lagen einer Bipolarplatte, sondern auf den Außenseiten einer zweilagigen Bipolarplatte geführt werden, können innerhalb der Dichtungslinie Durchbrüche in einer der beiden Lagen der Bipolarplatten vorgesehen sein, sodass ein Prozessfluid aus dem Bereich zwischen den beiden Lagen einer Bipolarplatte in das anodenseitige oder kathodenseitige Strömungsfeld strömen kann. Die Dichtung kann an eine Gasdiffusionslage oder an eine Rahmendichtung angebunden werden. Die aus fertigungstechnischer und funktionaler Sicht vorteilhafte Variante einer Anbindung der Dichtung an die Bipolarplatte in einem Spritzgussprozess ist gemäß dieser Lehre jedoch nicht oder nur unter hohem Aufwand möglich, da die aus zwei Lagen bestehende, geschweißte Bipolarplatte im Bereich der Medienzuführung keine mechanische Unterstützung zum Aufsetzen einer Abdrückkante eines Spritzgusswerkzeuges bietet. Das Anspritzen einer Dichtung an eine Einzellage ist auch nicht möglich, da im nachfolgenden Schweißprozess die Schweißlinien die Dichtungslinien kreuzen bzw. überlappen würden, wodurch die Dichtung zerstört würde. Die Anbindung der Dichtung an die Gasdiffusionslage oder an die Rahmendichtung bringt erhöhte Anforderungen in Bezug auf die Handhabung der Komponenten mit sich, da diese Komponenten geringe (Biege-)Steifigkeiten aufweisen. Zusammenfassend ist demnach festzustellen, dass es im Stand der Technik bereits viele unterschiedliche Ansätze zur Realisierung der Fluidverbindung zwischen der Prozessfluidleitstruktur bzw. den Manifolds und dem Strömungsfeld bzw. dem Aktivbereich der Brennstoffzellen gibt, die unterschiedliche Vorteile, aber auch Nachteile aufweisen.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden nun eine Stapelstruktur und ein Verfahren zum Herstellen der Stapelstruktur zur Verfügung gestellt.

Insbesondere werden eine Stapelstruktur gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen der Stapelstruktur nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit der Stapelstruktur beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Stapelstruktur für einen elektrochemischen Energiewandler vorgeschlagen, aufweisend:

- Bipolarplatten,

- Membran-Elektroden-Einheiten,

- eine Prozessfluidleitstruktur zum Leiten von Prozessfluid in einer Stapelrichtung,

- Rahmendichtungen, die jeweils in einem Randbereich einer Membran- Elektroden- Einheit an der Membran- Elektroden- Einheit befestigt sind, wobei die Bipolarplatten und die Rahmendichtungen in der Stapelrichtung übereinander angeordnet sind,

- Prozessfluiddichtungen zum Abdichten eines Randbereichs der Prozessfluidleitstruktur, wobei die Prozessfluiddichtungen jeweils einen Innendichtungsabschnitt aufweisen, der, in einer Querrichtung betrachtet, die orthogonal zur Stapelrichtung und von den Prozessfluiddichtungen jeweils in Richtung der Membran-Elektroden-Einheiten verläuft, zwischen der Prozessfluidleitstruktur und den Membran- Elektroden- Einheiten positioniert ist,

- Randdichtungen zum Abdichten eines Randbereichs der Rahmendichtungen und/oder eines Randbereichs der Bipolarplatten, und

- Abstandselemente, die in der Stapelrichtung jeweils zwischen zwei Innendichtungsabschnitten positioniert und/oder ausgestaltet sind und jeweils eine Durchgangsöffnung zum Leiten von Prozessfluid in der Querrichtung von der Prozessfluidleitstruktur zur jeweiligen Membran- Elektroden- Einheit aufweisen.

Um den in der Beschreibungseinleitung genannten Problemen Rechnung zu tragen, wird vorgeschlagen, den Aufbau der Stapelstruktur mit den erfindungsgemäßen Abstandselementen auszuführen. Hierzu können an den Abstandselementen jeweils Prozessfluiddichtungen bzw.

Prozessfluiddichtungsabschnitte positioniert sein, die, im Vergleich zu Prozessfluiddichtungen bzw. Prozessfluiddichtungsabschnitten, die nicht direkt an einem Abstandselement positioniert sind, mit einer in Stapelrichtung reduzierten Dicke ausgestaltet sind. Durch die Abstandselemente bzw. die Durchgangsöffnungen kann das Prozessfluid jeweils zuverlässig zwischen der Prozessfluidleitstruktur und der Membran- Elektroden- Einheit bzw. einem Aktivbereich einer jeweiligen Brennstoffzelle transportiert werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass aufgrund der Abstandselemente alle Einzellagen der Bipolarplatten im Verteiler- bzw. Übergangsbereich zwischen Prozessfluidleitstruktur und Aktivbereich eben aufeinanderliegen bzw. entsprechend ausgestaltet werden können. Dadurch können die Einzellagen einfach miteinander verschweißt werden. In einem nachfolgenden Prozessschritt kann die Prozessfluiddichtung einschließlich des Innendichtungsabschnitts, beispielsweise in Form eines Spritzgusses, jeweils an die bereits verschweißte Bipolarplatte angebunden werden. Dabei können Abdrückkanten für ein Spritzgusswerkzeug stabil aufgesetzt bzw. unterstützt werden. Außerdem kann die Prozessfluiddichtung in nur einem einzigen Prozessschritt hergestellt werden. Im eingangs erwähnten Standes der Technik sind hierfür in der Regel zwei Prozessschritte erforderlich. Durch den Einsatz von Spritzguss können Dichtungen schnell und einfach profiliert hergestellt werden. Damit können die erforderlichen Montagekräfte der jeweiligen Prozessfluiddichtung sowie der abdeckbare Funktions- und/oder Toleranzbereich der jeweiligen Prozessfluiddichtung in Stapelrichtung im Vergleich zu bisherigen Lösungen erhöht werden, wodurch ferner ein relativ günstiger mechanischer Aufbau der Gesamtzelle erreicht werden kann. Dies gilt insbesondere für die Prozessfluidzuführung von Gasen, also beispielsweise Oxidationsmittel in Form von Luft und Brennstoff in Form von beispielsweise Wasserstoff. Für Kühlmittel, das in der Regel zwischen Einzellagen einer Bipolarplatte geführt wird, kann ein leicht abweichender, aber grundsätzlich ähnlicher Aufbau gewählt werden.

Die Abstandselemente können jeweils Bestandteil einer der Zellkomponenten, das heißt, als Teil eines Funktionsbauteils der Stapelstruktur, ausgestaltet sein. Gleichwohl können die Abstandselemente auch als eigenständige Funktionsbauteile bereitgestellt sein. Die Prozessfluiddichtung kann im Übergangs- bzw. Verteilerbereich jeweils einen Übergangsabschnitt aufweisen, in welchem die Dicke bzw. Höhe der jeweiligen Prozessfluiddichtung in Stapelrichtung von einer maximalen Höhe zu einer reduzierten Höhe im Übergangsbereich variiert. Das jeweilige Abstandselement kann ebenfalls eine entsprechende Dickenvariation aufweisen, sodass eine relative Verpressung der Prozessfluiddichtung im Übergangsbereich im Wesentlichen in einem ähnlichen Bereich liegt.

Das Abstandselement kann mit Bezug auf eine Mittelebene der Membran- Elektroden- Einheit, die entlang der Querrichtung verläuft, in Stapelrichtung also orthogonal zur Mittelebene in eine Richtung oder in beide Richtungen ausgeprägt sein. Die Abstandselemente können aus Kunststoff und/oder Metall bestehen. Weiterhin ist es möglich, dass Abstandselemente paarweise als jeweils eine Einheit, also mechanisch miteinander verbunden, ausgestaltet sind. So kann eine Abstandselementeinheit zwei mechanisch miteinander verbundene Abstandselemente aufweisen, wobei das eine Abstandselement eine Durchgangsöffnung zum Leiten eines ersten Prozessfluids in der Querrichtung von der Prozessfluidleitstruktur zur jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit aufweist und das andere Abstandselement eine weitere Durchgangsöffnung zum Leiten eines zweiten, sich vom ersten Prozessfluid unterscheidenden Prozessfluids, in der Querrichtung von der Prozessfluidleitstruktur zur jeweiligen Membran- Elektroden- Einheit aufweist. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden Abstandselementen kann durch eine Stegverbindung, insbesondere durch eine platten- und/oder folienförmige Stegverbindung, hergestellt sein. Durch die mechanische Verbindung von zwei oder mehr Abstandselementen können die Herstellung und Handhabung der Abstandselemente vereinfacht und Toleranzen in der Stapelstruktur minimiert werden.

Die Prozessfluiddichtungen sind vorzugsweise jeweils ringförmig ausgestaltet. Unter den Rahmendichtungen sind jeweils sogenannte Subgaskets zu verstehen. Darunter, dass die Bipolarplatten und die Rahmendichtungen in der Stapelrichtung übereinander angeordnet sind, kann verstanden werden, dass die Bipolarplatten und die Rahmendichtungen wenigstens teilweise und/oder abschnittsweise übereinander angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, dass weitere Funktionsbauteile zwischen den Bipolarplatten und den Rahmendichtungen angeordnet sind. Das heißt, die Bipolarplatten und die Rahmendichtungen müssen nicht direkt übereinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind, in Stapelrichtung, die Prozessfluiddichtungen und die Randdichtungen jeweils zwischen den Bipolarplatten und den Rahmendichtungen positioniert.

Unter dem elektrochemischen Energiewandler können ein Elektrolyseur, ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, und/oder ein Brennstoffzellenstapel verstanden werden. Unter einer Bipolarplatte kann eine einteilige oder eine mehrteilige Bipolarplatte, also eine Bipolarplatte mit beispielsweise zwei aufeinander positionierten Plattenelementen bzw. Einzellagen, verstanden werden. Unter einer Bipolarplatte kann auch nur die Einzellage verstanden werden. Die Bipolarplatten können demnach jeweils eine kathodenseitige Einzellage und eine anodenseitige Einzellage aufweisen oder als eine solche ausgestaltet sein. Die Rahmendichtungen sind vorzugsweise jeweils stoffschlüssig mit den Membran-Elektroden-Einheiten verbunden. Die Erfindung betrifft grundsätzlich auch eine Stapelstruktur mit nur einem Abstandselement, einer Randdichtung, einer Rahmendichtung und/oder einer Membran- Elektroden- Einheit. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Stapelstruktur die Rahmendichtungen jeweils zwei Rahmendichtungsschichten aufweisen, wobei die Abstandselemente in der Stapelrichtung jeweils zwischen zwei Rahmendichtungsschichten positioniert sind. Die Abstandselemente können demnach bei der Herstellung der Rahmendichtungen aus zwei Rahmendichtungsschichten bzw. Einzelfolienlagen zwischen die beiden Rahmendichtungsschichten eingebracht werden. Das eingesetzte Abstandselement kann an einer der Rahmendichtungsschichten stoffschlüssig angebunden sein oder im Montageprozess der Stapelstruktur als separates Teil zwischen die Rahmendichtungsschichten eingelegt werden. Das Abstandselement und dessen Anbindung an die Rahmendichtungsschichten kann so ausgeführt sein, dass eine der beiden Rahmendichtungsschichten im Übergangsbereich durchgängig ausgeführt ist, während die andere Rahmendichtungsschicht im Übergangsbereich eine Ausnehmung aufweist, in der das Abstandselement zumindest teilweise positioniert ist. Das Abstandselement kann demnach in Stapelrichtung über den Bereich der Ausnehmung hinausragen.

Alternativ oder zusätzlich ist es, an unterschiedlichen Stellen in der Stapelstruktur, möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur Abstandselemente in der Stapelrichtung jeweils direkt zwischen einer Rahmendichtung und einem Innendichtungsabschnitt positioniert sind. In diesem Fall können die Abstandselemente als Ersatz für konventionelle untertunnelte Dichtungsabschnitte betrachtet werden. Unter Verwendung der Abstandselemente kann die gewünschte Durchgangsöffnung zum Leiten der Prozessfluide im Übergangsbereich einfach und zuverlässig zur Verfügung gestellt werden. Die Abstandselemente können jeweils zwischen eine Rahmendichtung und einen Innendichtungsabschnitt geklemmt, bzw. dort druckbeaufschlagt positioniert, sein. Vorzugsweise sind die Abstandselemente jeweils stoffschlüssig an der Rahmendichtung befestigt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es möglich, dass Abstandselemente jeweils als integraler und/oder monolithischer Bestandteil einer Rahmendichtung ausgestaltet sind. Das heißt, das Abstandselement kann jeweils Bestandteil einer der Rahmendichtungen und/oder Rahmendichtungsschichten sein. Damit können die Abstandselemente besonders stabil in der Stapelstruktur bereitgestellt werden. Ferner kann damit der Herstellungsprozess der Stapelstruktur vereinfacht werden.

Weiterhin ist es möglich, dass Abstandselemente bei einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur jeweils eine Stützstruktur für eine Stützfunktion in Stapelrichtung aufweisen, wobei die Stützstruktur in der Durchgangsöffnung bzw. in einem entsprechenden Durchgangsöffnungsvolumen wenigstens zwei sich parallel zueinander erstreckende Durchgangsöffnungskanäle bildet. Die Abstandselemente können demnach jeweils eine Stützstruktur aufweisen, sodass auf die Stapelstruktur bei einer Belastung der Stapelstruktur durch Montagekräfte und/oder Kräfte während eines Betriebs der Stapelstruktur keine oder nur geringe Verformungen in Stapelrichtung auftreten. Die Stützstruktur kann einen V-förmigen, W-förmigen, keilförmigen, wellenförmigen und/oder stegförmigen Querschnitt aufweisen.

Darüber hinaus ist es bei einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur möglich, dass Bipolarplatten mittels wenigstens einer Schweißnaht miteinander verschweißt sind, wobei wenigstens eine Schweißnaht in Stapelrichtung zwischen zwei Prozessfluiddichtungen und/oder zwischen zwei Innendichtungsabschnitten der Prozessfluiddichtungen ausgestaltet ist. Das heißt, in einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur können Schweißlinien und Dichtungslinien übereinander liegen bzw. sich kreuzen, wodurch ein kompakter Aufbau der gesamten Stapelstruktur möglich wird. Außerdem können somit zumindest teilweise Schweißlinien durch die Bedeckung mit Dichtungsmaterial vor Kontakt mit Reaktionsmedien, insbesondere Kühlmittel, und somit beispielsweise vor Korrosion geschützt werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stapelstruktur für einen elektrochemischen Energiewandler. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Bereitstellen von Bipolarplatten,

- Bereitstellen von Membran- Elektroden- Einheiten, - Bereitstellen einer Prozessfluidleitstruktur zum Leiten von Prozessfluid in einer Stapelrichtung,

- Bereitstellen von Rahmendichtungen, die jeweils in einem Randbereich einer Membran- Elektroden- Einheit an der Membran- Elektroden- Einheit befestigt werden, wobei die Bipolarplatten und die Rahmendichtungen in der Stapelrichtung jeweils übereinander angeordnet werden,

- Bereitstellen von Prozessfluiddichtungen zum Abdichten eines Randbereichs der Prozessfluidleitstruktur, wobei die Prozessfluiddichtungen jeweils einen Innendichtungsabschnitt aufweisen, der, in einer Querrichtung betrachtet, die orthogonal zur Stapelrichtung und von den Prozessfluiddichtungen jeweils in Richtung der Membran- Elektroden- Einheiten verläuft, zwischen der Prozessfluidleitstruktur und den Membran-Elektroden-Einheiten positioniert ist,

- Bereitstellen von Randdichtungen zum Abdichten eines Randbereichs der Rahmendichtungen und/oder eines Randbereichs der Bipolarplatten, und

- Positionieren und/oder Ausgestalten von Abstandselementen in der Stapelrichtung jeweils zwischen zwei Innendichtungsabschnitten zum Bilden von Durchgangsöffnungen, die zum Leiten von Prozessfluid in der Querrichtung von der Prozessfluidleitstruktur zur jeweiligen Membran- Elektroden- Einheit konfiguriert sind.

Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Stapelstruktur beschrieben worden sind. Die Abstandselemente können aus Kunststoff und/oder aus Metall hergestellt werden. Die Abstandselemente können jeweils durch Spritzguss, Prägen, Umformen, Tiefziehen, Kleben, Schweißen und/oder Schneiden hergestellt werden. Demnach ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass Abstandselemente jeweils als Spritzgussbauteil an eine Rahmendichtung gespritzt werden. So können die Abstandselemente schnell und einfach hergestellt werden.

Die Abstandselemente können bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zudem durch plastisches, insbesondere durch thermoplastisches Umformen einer Rahmendichtung hergestellt werden. Damit kann eine besonders platzsparende und logistisch einfach zu verwirklichende Stapelstruktur realisiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren die Rahmendichtungen jeweils zwei Rahmendichtungsschichten aufweisen und die Abstandselemente als Einlegebauteil zwischen zwei Rahmendichtungsschichten eingelegt werden. Auch damit kann ein relativ einfacher Montageprozess zur Verfügung gestellt werden, durch welchen das erfindungsgemäße Abstandselement sicher und robust an der gewünschten Stelle positioniert werden kann.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine Stapelstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Stapelstruktur,

Figur 3 eine weitere Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Stapelstruktur,

Figur 4 eine weitere Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Stapelstruktur,

Figur 5 eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur,

Figur 6 eine weitere Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur, Figur 7 eine weitere Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur,

Figur 8 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur, und

Figur 9 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Stapelstruktur 10 für einen elektrochemischen Energiewandler 80 in Form eines PEM- Brennstoffzellenstapels. Die Stapelstruktur 10 weist Bipolarplatten 11 aus Metall, Membran- Elektroden- Einheiten 12 und eine Prozessfluidleitstruktur 13 mit mehreren Manifolds bzw. Fluidkanälen in einer Stapelrichtung 14 auf. Genauer gesagt weist die Stapelstruktur 10 eine Prozessfluidleitstruktur 13 mit zwei Oxidationsmittelkanälen 31, zwei Kühlmittelkanälen 32 und zwei

Brennstoff kanälen 33 auf, wobei jeweils nur einer der beiden miteinander in Fluidverbindung stehenden Kanalabschnitte dargestellt ist. Die gezeigte Membran- Elektroden- Einheit 12 weist eine mit einem Katalysator beschichtete Membran (CCM) 24 auf, die zwischen zwei Gasdiffusionsschichten (GDL) 23 positioniert ist.

Die gezeigte Stapelstruktur 10 weist ferner einen Verteiler- bzw. Übergangsbereich 67 auf, in welchem eine Verteiler- Kanalstruktur 64 zum Leiten des jeweiligen Prozessfluides zwischen der Prozessfluidleitstruktur 13 bzw. den Manifolds und der Membran- Elektroden- Einheit 12 bzw. einem Aktivbereich 60 der jeweiligen Brennstoffzellen ausgestaltet ist. Unter dem Aktivbereich 60 kann auch das sogenannte Flowfield verstanden werden. Im Übergangsbereich sind Oxidationsmittelzuführleitungen 36, Kühlmittelzuführleitungen 37 und Kühlmittelöffnungen 38 ausgestaltet. Die dargestellte Stapelstruktur 10 weist außerdem Schweißnähte 34 an verschiedenen Stellen auf. Außerdem weist die Stapelstruktur 10 Prozessfluiddichtungen 16 und Randdichtungen 17 auf, die mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren im weiteren Detail beschrieben werden. Die aus einem Elastomer bestehenden Prozessfluiddichtungen 16 sind jeweils ringförmig um die in Stapelrichtung parallel zueinander verlaufenden Kanäle, also um den jeweiligen Oxidationsmittelkanal 31, den jeweiligen Kühlmittelkanal 32 und den jeweiligen Brennstoffkanal 33, ausgestaltet.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Schnitt A - A, der sich durch einen Oxidationsmittelkanal 31 der Stapelstruktur 10 erstreckt. Das heißt, im gezeigten Oxidationsmittelkanal 31 findet eine Prozessfluidströmung 40 mit Oxidationsmittel in Form von Luft statt. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Stapelstruktur 10 Rahmendichtungen 15 bzw. Subgaskets auf, die jeweils in einem Randbereich einer Membran- Elektroden- Einheit 12 an der Membran- Elektroden- Einheit 12, genauer gesagt jeweils zwischen der Katalysatormembran 24 und einer Gasdiffusionsschicht 23, befestigt sind und sich rahmenförmig um die Membran- Elektroden- Einheit 12 herum erstrecken. Wie ferner in Fig. 2 gezeigt, sind die Bipolarplatten 11 bzw. die einzelnen Bipolarplattenlagen und die Rahmendichtungen 15 in der Stapelrichtung 14 übereinander angeordnet. Die Rahmendichtungen 15 weisen jeweils zwei Rahmendichtungsschichten auf. Die beiden Einzellagen der Bipolarplatten 11 liegen im Bereich der Prozessfluiddichtung 16 sowie im Bereich der Randdichtung 17 eben aufeinander. Die Prozessfluiddichtungen 16 werden in einem Spritzgussprozess gleichzeitig auf beiden Seiten der jeweiligen Bipolarplatten 11 hergestellt und angebunden.

Die gezeigten Prozessfluiddichtungen 16 sind zum Abdichten eines Randbereichs der Prozessfluidleitstruktur 13 konfiguriert und ausgestaltet, wobei die Prozessfluiddichtung 16 einen Innendichtungsabschnitt 18 aufweist, der, in einer Querrichtung 19 betrachtet, die orthogonal zur Stapelrichtung 14 und von den Prozessfluiddichtungen 16 jeweils in Richtung der Membran- Elektroden- Einheiten 12 verläuft, zwischen der Prozessfluidleitstruktur 13 und den Membran- Elektroden- Einheiten 12 positioniert ist. Die Randdichtungen 17 sind zum Abdichten eines Randbereichs der Rahmendichtungen 15 sowie eines Randbereichs der Bipolarplatten 11 konfiguriert und ausgestaltet. In Fig. 2 sind ferner Abstandselemente 20 der Stapelstruktur 10 dargestellt, die in der Stapelrichtung 14 jeweils zwischen zwei Innendichtungsabschnitten 18 ausgestaltet sind und jeweils eine Durchgangsöffnung 21 zum Leiten von Prozessfluid in der Querrichtung 19 zwischen der Prozessfluidleitstruktur 13 und der jeweiligen Membran- Elektroden- Einheit 12 bzw. dem Aktivbereich 60 aufweisen. Die Abstandselemente 20 sind in Stapelrichtung 14 jeweils direkt zwischen einer Rahmendichtung 15 und einem Innendichtungsabschnitt 18 positioniert. In den Innendichtungsabschnitten 18 ist die Prozessfluiddichtung 16 jeweils mit einer reduzierten Höhe in Stapelrichtung 14 ausgestaltet, um Platz für das jeweilige Abstandselement zu schaffen. Die Abstandselemente 20 weisen jeweils eine abgerundete Außenkontur auf, sodass Beschädigungen durch die Abstandselemente 20 an der Rahmendichtung 15 möglichst verhindert werden.

Die Bipolarplatten 11 bzw. die jeweiligen Bipolarplattenlagen sind paarweise miteinander verschweißt. So weisen die jeweiligen Bipolarplatten 11 an verschiedenen Stellen Schweißnähte 34 auf. Wie in Fig. 2 zu erkennen, ist jeweils eine Schweißnaht 34 einer verschweißten Bipolarplatte 11 in Stapelrichtung 14 zwischen zwei Innendichtungsabschnitten 18 der Prozessfluiddichtungen 16, direkt übereinander, ausgestaltet. Eine weitere Schweißnaht 34 ist an einer anderen Stelle zwischen zwei anderen Teilabschnitten zweier Prozessfluiddichtungen 16 ausgestaltet.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Schnitt B - B, der sich durch den Kühlmittelkanal 32 der Stapelstruktur 10 erstreckt. Das heißt, im gezeigten Kühlmittelkanal 32 und in den angrenzenden Abstandselementen 20 findet jeweils eine Prozessfluidströmung 40 mit Kühlmittel statt. Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Schnitt C - C, der sich durch den Brennstoffkanal 33 der Stapelstruktur 10 erstreckt. Das heißt, im gezeigten Brennstoffkanal 33 und in den angrenzenden Abstandselementen 20 findet jeweils eine Prozessfluidströmung 40 mit Brennstoff in Form von Wasserstoff statt. Abhängig davon, ob die Abstandselemente 20 bzw. wenigstens ein Abstandselement 20 zum Leiten von Oxidationsmittel, Kühlmittel oder Brennstoff bereitgestellt ist, kann es im Detail unterschiedliche Formkonturen und/oder Materialkomponenten, beispielsweise zum Realisieren einer jeweils nötigen Dichtfunktion, aufweisen. Das heißt, die vorliegend dargestellten Abstandselemente 20 müssen nicht alle die gleiche Form und/oder Materialbeschaffenheit aufweisen.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Stapelstruktur 10. Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung entlang des in Fig. 5 gezeigten Schnitts A - A. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher das Abstandselement 20 eine Stützstruktur 22 für eine Stützfunktion in Stapelrichtung 14 aufweist. Die Stützstruktur 22 ist im Wesentlichen W-förmig ausgestaltet und bildet dadurch in der Durchgangsöffnung 21 drei sich parallel zueinander erstreckende Durchgangsöffnungskanäle.

Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Schnitt B - B. Wie in Fig. 7 besonders anschaulich zu erkennen, ist das gezeigte Abstandselement 20 gemäß dieser Ausführungsform in der Stapelrichtung 14 zwischen zwei Rahmendichtungsschichten 15 positioniert.

Fig. 8 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einem elektrochemischen Energiewandler 80 in Form eines Brennstoffzellensystems, der eine vorstehend beschriebene Stapelstruktur 10 aufweist. Das Fahrzeug 100 weist ferner einen Brennstofftank 70 und einen Motor 90 auf, wobei der Energiewandler 80 zum Erzeugen von Strom für den Motor 90 aus dem Brennstoff im Brennstofftank 70 konfiguriert ist. Der Motor 90 ist zum Antreiben den Fahrzeugs 100 ausgestaltet.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen einer vorstehend beschriebenen Stapelstruktur 10 für einen elektrochemischen Energiewandler 80. In einem ersten Schritt S1 werden die Bipolarplatten 11, die Membran- Elektroden- Einheiten 12, die Prozessfluidleitstruktur 13, die Rahmendichtungen 15, die Prozessfluiddichtungen 16, die jeweils den Innendichtungsabschnitt 18 aufweisen und die Randdichtungen 17 bereitgestellt bzw. ausgebildet. In einem zweiten Schritt S2 werden die Abstandselemente 20 in der Stapelrichtung 14 jeweils zwischen zwei Innendichtungsabschnitten 18 positioniert und/oder ausgebildet, um Durchgangsöffnungen 21, die zum Leiten von Prozessfluid in der Querrichtung 19 von der Prozessfluidleitstruktur 13 zur jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit 12 konfiguriert sind, zu bilden.

Der zweite Schritt S2 muss nicht nach dem ersten Schritt S1 durchgeführt werden. Abhängig von der Art und/oder Herstellungsweise der Abstandselemente 20 können diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Herstellungsprozess gebildet werden. Die Abstandselemente 20 können beispielsweise jeweils als Spritzgussbauteil aus Kunststoff an eine Rahmendichtung 15 gespritzt werden. In diesem Fall werden die Prozessfluiddichtungen 16 beispielsweise erst nach dem Herstellen und/oder Bereitstellen der Abstandselemente 20 in der Stapelstruktur 10 ausgestaltet. Ferner ist es möglich, dass Abstandselemente 20 jeweils durch plastisches Umformen einer Rahmendichtung 15 hergestellt werden. Auch in diesem Fall werden die Prozessfluiddichtungen 16 erst nach dem Herstellen bzw. Bereitstellen der Abstandselemente 20 in der Stapelstruktur 10 ausgestaltet. Darüber hinaus ist es möglich, dass Abstandselemente 20 als Einlegebauteil zwischen zwei Rahmendichtungsschichten eingelegt werden. Auch in diesem Fall werden die Prozessfluiddichtungen 16 erst nach dem Herstellen der Abstandselemente 20 in der Stapelstruktur 10 ausgestaltet.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. Das heißt, die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So können die Abstandselemente 20 jeweils als integraler und/oder monolithischer Bestandteil einer Rahmendichtung 15 ausgestaltet sein. Die Abstandselemente 20 können ferner durch einen thermischen Prozess in eine oder mehr als eine Einzellage der jeweiligen Rahmendichtung 15 eingepresst werden, sodass ein homogener Übergang zwischen Abstandselement 20 und Rahmendichtung 15 geschaffen werden kann.