DE102016111794A1

DE102016111794A1 - Membran-Elektroden-Anordnung, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung

Info

Publication number: DE102016111794A1
Application number: DE102016111794.3A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart; Darcy McGowan; Matej Kusy
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel, die eine bessere Abdichtung mittels an die Membran-Elektroden-Anordnung anzulegender Dichtungsmittel ermöglichen soll. Hierfür weist die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung in Randbereichen, insbesondere in peripheren Kantenbereichen oder in Kantenbereichen von Betriebsmitteldurchgangsöffnungen Randbereiche auf, in denen eine von zwei eine Membran-Elektroden-Einheit einfassenden Rahmenplatten über die andere Rahmenplatte übersteht und in dem überstehenden Abschnitt als Dichtungssitz ausgebildet ist. Die Dichtwirkung eines an den Dichtungssitz anzulegenden Dichtungsmittels ist somit von einem eventuellen Auskriechen einer die Rahmenplatten verbindenden haftvermittelnden Schicht unabhängig. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel mit solch einer Membran-Elektroden-Anordnung und zumindest einem zwischen einem als Dichtungssitz ausgebildeten überstehenden Abschnitt und die Membran-Elektroden-Anordnung umgebenden Bipolarplatten angeordneten Dichtungsmittel. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel, einen Brennstoffzellenstapel mit solch einer Membran-Elektroden-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^– unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren. An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher.
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist somit Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.
Bei den Betriebsmitteldurchgangsöffnungen handelt es sich insbesondere um eine Anodeneinlassöffnung zum Zuführen des Anodengases und eine Anodenauslassöffnung zum Abführen des Anodengases, um eine Kathodeneinlassöffnung zum Zuführen des Kathodengases und eine Kathodenauslassöffnung zum Abführen des Kathodengases und um eine Kühlmitteleinlassöffnung zum Zuführen des Kühlmittels und eine Kühlmittelauslassöffnung zum Abführen des Kühlmittels. In einem Brennstoffzellenstapel sind diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich zueinander ausgerichtet und bilden die durch den gesamten Stapel verlaufenden Hauptversorgungskanäle der Betriebsmittel.
Aus dem Stand der Technik sind gerahmte Membran-Elektroden-Anordnungen bekannt, die jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit aufweisen, welche peripher von einer Rahmenanordnung umlaufen beziehungsweise eingefasst wird. Derartige Rahmenanordnungen weisen in der Regel zwei Rahmenplatten auf, zwischen denen die Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist. Die Rahmenplatten weisen jeweils eine innenliegende Öffnung auf, durch welche die Anode beziehungsweise Kathode der Membran-Elektroden-Einheit zugänglich ist.
Die US 7,544,219 B2 offenbart eine gerahmte Membran-Elektroden-Anordnung, wobei eine Membran-Elektroden-Einheit rahmenartig von einem Mehrschichtaufbau umgeben ist beziehungsweise umlaufen wird. Die Rahmenanordnung besteht dabei aus zwei mehrlagigen Rahmenplatten, die jeweils eine innenliegende Trägerschicht aufweisen, welche mittels einer Klebstoffschicht an der Membran-Elektroden-Einheit befestigt und durch eine außenliegende elastische Schicht vor Beschädigung geschützt ist. Auch die US 2014/0127608 A1 offenbart eine Rahmenanordnung für eine Membran-Elektroden-Einheit. Diese Rahmenanordnung ist aus zwei Randverstärkungsschichten gebildet, die mittels einer haftvermittelnden Schicht mit der Membran-Elektroden-Einheit sowie miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
In Langzeittests beziehungsweise im dauerhaften Einsatz bekannter Membran-Elektroden-Anordnungen hat sich gezeigt, dass die eingesetzten haftvermittelnden Schichten zum Auskriechen neigen. Mit anderen Worten führt die Viskosität der Klebstoffe sowie der Druck im verpressten Brennstoffzellenstapel zu einem Materialverlust oder zumindest zur Inhomogenität der haftvermittelnden Schicht. Damit verbundene Schwankungen in der Dicke der Membran-Elektroden-Anordnung können wiederrum Undichtigkeiten nach sich ziehen, insbesondere im Hinblick auf die an der Membran-Elektroden-Anordnung anliegenden Dichtungsmittel.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer verbesserten Langzeitbeständigkeit bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und deren Verwendung zur dauerhaften Abdichtung des Brennstoffzellenstapels beiträgt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Membran-Elektroden-Einheit und eine die Membran-Elektroden-Einheit peripher umlaufende und stoff- beziehungsweise formschlüssig mit dieser verbundene Rahmenanordnung. Die Rahmenanordnung weist eine erste Rahmenplatte, eine zweite Rahmenplatte und eine die erste Rahmenplatte und die zweite Rahmenplatte verbindende haftvermittelnde Schicht auf. Ferner weist die Rahmenanordnung zumindest einen ersten Randbereich auf, wobei die erste Rahmenplatte in dem ersten Randbereich eine größere Ausdehnung aufweist, als die zweite Rahmenplatte, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung. Ein in dem ersten Randbereich über die zweite Rahmenplatte überstehender Abschnitt der ersten Rahmenplatte ist als Dichtungssitz ausgebildet. Die Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine dauerhafte Abdichtung mittels eines oder mehrerer im Bereich des überstehenden Abschnitts an die erste Rahmenplatte anzubringender Dichtungsmittel, indem sie einen oder mehrere Dichtungssitze bereitstellt, die unabhängig von der Langzeitbeständigkeit der eingesetzten haftvermittelnden Schicht sind.
Der Dichtungssitz ist im Rahmen dieser Anmeldung im einfachsten Fall als ein Oberflächenabschnitt der ersten Rahmenplatte ausgebildet, der zumindest in seiner Ausdehnung an ein anzulegendes Dichtungsmittel angepasst ist. Bevorzugt weist der Dichtungssitz eine an das anzulegende Dichtungsmittel angepasste Form, insbesondere Querschnittform, wie beispielsweise eine Vertiefung, auf. Besonders bevorzugt ist der Dichtungssitz als formideales Gegenstück zu einer anzulegenden Dichtung ausgebildet. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform weist der Dichtungssitz eine im Vergleich zur restlichen Rahmenplatte verminderte Rauigkeit auf. Ebenfalls bevorzugt unterscheidet sich das Material der Rahmenplatte im Bereich des Dichtungssitzes von dem Material der restlichen Rahmenplatte. Somit verringert die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung nicht nur die mit dem Auskriechen der haftvermittelnden Schicht verbundenen Nachteile sondern verbessert zusätzlich die Möglichkeit zur Abdichtung der Membran-Elektroden-Anordnung durch eine entsprechende Ausstattung des Dichtungssitzes.
Die Membran-Elektroden-Anordnung im Rahmen dieser Anmeldung weist eine flächige Polymerelektrolytmembran mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche auf. Auf der ersten Hauptoberfläche ist eine erste Elektrodenschicht angeordnet und eine zweite Elektrodenschicht ist gegenüber der ersten Elektrodenschicht auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet. Die Rahmenanordnung ist ebenfalls flächig ausgebildet und weist eine erste und zweite Rahmenplatte auf. Die erste Rahmenplatte weist eine innenliegende erste Öffnung auf, durch welche die erste Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Einheit zugänglich ist. Die zweite Rahmenplatte weist eine innenliegende zweite Öffnung auf, welche die zweite Elektrodenschicht der Membran-Elektroden-Einheit freilegt. Sind über den Elektrodenschichten Gasdiffusionslagen angeordnet, sind entsprechend diese durch die Öffnungen zugänglich.
Die erste und zweite Rahmenplatte sind mittels der haftvermittelnden Schicht stoffschlüssig verbunden. Zwischen der ersten und zweiten Rahmenplatte ist die Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Bevorzugt vermittelt die haftvermittelnde Schicht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Rahmenplatten und der Membran-Elektroden-Einheit. Alternativ oder zusätzlich ist die Membran-Elektroden-Einheit auch form- beziehungsweise kraftschlüssig zwischen den verklebten und verpressten Rahmenplatten eingefasst. In dieser Ausführungsform steht die haftvermittelnde Schicht nicht zwingend in Kontakt mit der Membran-Elektroden-Einheit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung weist die Rahmenanordnung zumindest einen zweiten Randbereich auf. Gemäß dieser Ausführungsform weist die zweite Rahmenplatte in dem zweiten Randbereich eine größere Ausdehnung auf als die erste Rahmenplatte, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu einer Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung. Zudem ist ein in dem zweiten Randbereich über die erste Rahmenplatte überstehender Abschnitt der zweiten Rahmenplatte als Dichtungssitz ausgebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft eine dauerhafte Abdichtung mittels eines oder mehrerer im Bereich eines überstehenden Abschnitts an die zweite Rahmenplatte anzulegenden Dichtungsmittels unabhängig von der Langzeitbeständigkeit der eingesetzten haftvermittelnden Schicht. Gemäß dieser Ausführungsform sind somit Bereiche der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte als Dichtungssitz ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung handelt es sich bei dem ersten Randbereich oder bei dem zweiten Randbereich um einen die Rahmenanordnung peripher umlaufenden Kantenbereich. Mit anderen Worten weist die erste Rahmenplatte eine größere flächige Ausdehnung auf als die zweite Rahmenplatte oder umgekehrt. Werden eine solche erste und zweite Rahmenplatte zusammengefügt, sodass die erste Elektrodenschicht durch die erste Öffnung und die zweite Elektrodenschicht durch die zweite Öffnung zugänglich sind, steht bevorzugt eine der beiden Rahmenplatten in allen Richtungen senkrecht zu einer Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung über die andere Rahmenplatte über. Somit ergibt sich ein peripher umlaufender überstehender erster oder zweiter Randbereich, der sich an eine Kante der jeweiligen Rahmenplatte anschließt und hierin als erster oder zweiter Kantenbereich bezeichnet ist. Die Kante der Rahmenplatte bezeichnet deren Übergang von der ersten zur zweiten Hauptoberfläche der Rahmenplatte. Der Kantenbereich bezeichnet Abschnitte der ersten oder zweiten Hauptoberfläche.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform sind in der ersten Rahmenplatte erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen ausgebildet und in der zweiten Rahmenplatte zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen. In der Rahmenanordnung überlappen sich die ersten und zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, sodass sich durchgehende Öffnungen durch die Rahmenanordnungen ergeben. Hierzu weist auch die haftvermittelnde Schicht entsprechende Durchgangsöffnungen auf. In dieser Ausführungsform ist bevorzugt zumindest ein erster Randbereich ein eine erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung peripher umlaufender Kantenbereich. Mit anderen Worten weist eine erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung eine geringere flächige Ausdehnung auf als eine zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung, die mit der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung eine durchgehende Öffnung bildet.
Besonders bevorzugt sind die erste und zweite Rahmenplatte in der Rahmenanordnung so angeordnet, dass eine erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung vollständig innerhalb einer Normalprojektion einer korrespondierenden zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist. Somit ergibt sich ein peripher um die entstehende Betriebsmitteldurchgangsöffnung der Rahmenanordnung umlaufender erster Randbereich der ersten Rahmenplatte. Dieser steht in der Betriebsmitteldurchgangsöffnung in allen Richtungen senkrecht zu einer Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung über die zweite Rahmenplatte über. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist die Rahmenanordnung einen eine zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung peripher umlaufenden Kantenbereich als zweiten Randbereich auf. Hierfür gilt das für den ersten Randbereich Beschriebene entsprechend, wobei die zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung die flächenmäßig geringer ausgedehnte ist und innerhalb einer Normalprojektion der ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist.
Besonders bevorzugt weist eine kreisförmige erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung einen geringeren Durchmesser als eine kreisförmige zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung auf. Ebenfalls bevorzugt sind erste und zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen anderer Querschnittformen, beispielsweise rechteckige Betriebsmitteldurchgangsöffnungen, wie vorstehend beschrieben zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt weist eine Rahmenanordnung erste beziehungsweise zweite innenliegende Kantenbereiche auf und weist ebenfalls bevorzugt erfindungsgemäß ausgebildete periphere Kantenbereiche auf. Vorteilhaft ist somit die Dichtungswirkung jedes Dichtungssitzes der Membran-Elektroden-Anordnung unabhängig von der haftvermittelnden Schicht beziehungsweise deren Langzeitbeständigkeit.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung erstreckt sich die haftvermittelnde Schicht auf zumindest einen überstehenden Abschnitt der ersten beziehungsweise der zweiten Rahmenplatte. Mit anderen Worten ist die haftvermittelnde Schicht sowohl außerhalb als auch innerhalb eines ersten beziehungsweise zweiten Randbereichs angeordnet. Da in dem ersten beziehungsweise zweiten Randbereich die erste beziehungsweise zweite Rahmenplatte über die zweite beziehungsweise erste Rahmenplatte übersteht, bewirkt die haftvermittelnde Schicht in diesem Randbereich keine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Rahmenplatten. Somit kann die haftvermittelnde Schicht vorteilhaft zum stoffschlüssigen Fixieren eines Dichtungsmittels an einer Rahmenplatte oder zum stoffschlüssigen Fixieren einer Rahmenplatte an einer Bipolarplatte oder einem anderen Element eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung ist zumindest eine der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte als Laminat ausgebildet. Mit anderen Worten kann die erste beziehungsweise die zweite Rahmenplatte selbst einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Somit kann die erste beziehungsweise die zweite Rahmenplatte vorteilhaft an verschiedene Anforderungen, wie beispielsweise Haftung an beziehungsweise Abdichtung und elektrische Isolierung gegenüber verschiedenen Materialien, beispielsweise der Polymerelektrolytmembran, dem Elektrodenmaterial oder den Gasdiffusionslagen, angepasst sein. Ebenfalls bevorzugt sind die den Anoden- oder Kathodenräumen oder Flussfeldern der Bipolarplatten zugewandten Bereiche mit einer chemisch passivierten Oberflächenschicht ausgestattet.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung weisen die Membran-Elektroden-Einheit und die Rahmenanordnung einen Überlappungsbereich auf, in dem die Membran-Elektroden-Einheit zwischen der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Membran-Elektroden-Einheit vorteilhaft stoff-, kraft- und formschlüssig zwischen den Rahmenplatten fixiert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Dicke der haftvermittelnden Schicht im Wesentlichen der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit. Vorteilhaft können die Rahmenplatten im Wesentlichen eben auf die Membran-Elektroden-Einheit einlaufen. Ebenfalls bevorzugt liegen die Rahmenplatten jeweils zumindest abschnittsweise an zwei Seiten der Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere an einer von deren Hauptoberflächen und einer von deren Kante, an. Gemäß dieser Ausführungsform weist die haftvermittelnde Schicht eine geringere Dicke auf, als die Membran-Elektroden-Einheit. Ebenfalls bevorzugt liegt die haftvermittelnde Schicht zumindest abschnittsweise an drei Seiten der Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere an beiden Hauptoberflächen und einer von deren Kanten, an. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Einheit eine geringere Dicke auf, als die haftvermittelnde Schicht.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte und eine zwischen der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung, wie vorstehend beschrieben. Mit anderen Worten weist der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Bipolarplatten auf, wobei zwischen jeweils zwei Bipolarplatten eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist ein Bereich zwischen dem, wie vorstehend beschrieben, als Dichtungssitz ausgebildeten überstehenden Abschnitt von entweder der ersten Rahmenplatte oder der zweiten Rahmenplatte der Membran-Elektroden-Anordnung und der ersten Bipolarplatte mittels eines ersten Dichtungsmittels abgedichtet. Alternativ ist ein Bereich zwischen dem als Dichtungssitz ausgebildeten überstehenden Abschnitt von entweder der ersten Rahmenplatte oder der zweiten Rahmenplatte der Membran-Elektroden-Anordnung und der zweiten Bipolarplatte mittels eines zweites Dichtungsmittels abgedichtet. Je nachdem, ob es sich bei dem Dichtungssitz um einen ersten oder zweiten Randbereich in Form eines innenliegenden oder peripheren Kantenbereichs handelt, wird somit die Abdichtung einer Betriebsmitteldurchgangsöffnung oder der Peripherie des Stapels verbessert.
Das erste Dichtungsmittel ist bevorzugt als ein vorspringender Abschnitt, insbesondere als ein in Stapelrichtung vorspringender Abschnitt, der ersten Bipolarplatte ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt ist das zweite Dichtungsmittel bevorzugt als ein vorspringender Abschnitt, insbesondere als ein entgegen der Stapelrichtung vorspringender Abschnitt, der zweiten Bipolarplatte ausgebildet. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem ersten beziehungsweise zweiten Dichtungsmittel um eine Sickendichtung der jeweiligen Bipolarplatte, die einen Bereich zwischen einer Hauptfläche der jeweiligen Bipolarplatte und dem überstehenden Abschnitt der ersten oder zweiten Rahmenplatte abdichtet. In einer alternativen Ausführungsform ist das erste Dichtungsmittel als ein zwischen dem als Dichtungssitz ausgebildeten überstehenden Abschnitt und der ersten Bipolarplatte angeordnetes Dichtungselement ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt ist das zweite Dichtungsmittel als ein zwischen dem als Dichtungssitz ausgebildeten überstehenden Abschnitt und der zweiten Bipolarplatte angeordnetes Dichtungselement ausgebildet. Bei dem Dichtungselement handelt es sich bevorzugt um eine Klebedichtung. Besonders bevorzugt erstreckt sich die haftvermittelnde Schicht auch in den ersten beziehungsweise zweiten Randbereich hinein. Somit kann ein Dichtungselement zwischen der ersten Bipolarplatte und einem zweiten Randbereich oder zwischen der zweiten Bipolarplatte und einem ersten Randbereich vorteilhaft über die haftvermittelnde Schicht an der entsprechenden Rahmenplatte fixiert werden.
Ebenfalls bevorzugt ist die erste beziehungsweise zweite Rahmenplatte im Bereich des ersten beziehungsweise zweiten Randbereichs so ausgestaltet, insbesondere so geformt, dass sie an die zweite beziehungsweise erste Bipolarplatte anliegt und über die haftvermittelnde Schicht stoffschlüssig mit dieser verbunden ist. Dass eine Rahmenplatte an einer Bipolarplatte anliegt beziehungsweise diese kontaktiert, bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass diese Rahmenplatte in unmittelbarem Kontakt mit einer Bipolarplatte steht oder die Bipolarplatte über die haftvermittelnde Schicht mittelbar kontaktiert. Gemäß dieser Ausführungsform kann vorteilhaft auf eines von zwei zwischen der Rahmenanordnung und den Bipolarplatten angeordneten Dichtungsmittel verzichtet werden. Das verbleibende Dichtmittel kann deutlich größer dimensioniert werden als beim Einsatz von zweiseitig an die Membran-Elektroden-Anordnung angreifenden zwei Dichtungsmitteln. Das größer dimensionierte Dichtungsmittel gleicht eventuelle Schwankungen der Dicke der haftvermittelnden Schicht mittels einer eigenen elastischen Verformung besser aus als zwei kleinere Dichtungsmittel.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung, wie vorstehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Verfahrensschritte auf. Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Polymerelektrolytmembran mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche, eine auf der ersten Hauptoberfläche angeordnete erste Elektrodenschicht, und eine gegenüber der ersten Elektrodenschicht auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnete zweite Elektrodenschicht. Bereitstellen einer ersten Rahmenplatte mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Rahmenplatte mit einer zweiten Öffnung. Auftragen einer haftvermittelnden Schicht auf die erste Rahmenplatte und/oder die zweite Rahmenplatte. Anordnen der Membran-Elektroden-Einheit zwischen der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte, wobei die erste Elektrodenschicht teilweise oder vollständig innerhalb der ersten Öffnung und die zweite Elektrodenschicht teilweise oder vollständig innerhalb der zweiten Öffnung angeordnet ist.
Es folgt das Verpressen der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung und zum Fixieren der Membran-Elektroden-Einheit zwischen der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Rahmenplatte so bereitgestellt oder nach dem Anordnen so zugeschnitten, dass sie in einem ersten Randbereich eine größere Ausdehnung aufweist als die zweite Rahmenplatte und ein in dem ersten Randbereich über die zweite Rahmenplatte überstehender Abschnitt der ersten Rahmenplatte als Dichtungssitz ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich wird die zweite Rahmenplatte in dem erfindungsgemäßen Verfahren so bereitgestellt oder nach dem Anordnen so zugeschnitten, dass sie in einem zweiten Randbereich eine größere Ausdehnung aufweist als die erste Rahmenplatte und ein in dem zweiten Randbereich über die erste Rahmenplatte überstehender Abschnitt der zweiten Rahmenplatte als Dichtungssitz ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste Rahmenplatte und die zweite Rahmenplatte so bereitgestellt oder nach dem Anordnen oder nach dem Verpressen so zugeschnitten, dass die erste Rahmenplatte eine flächige Ausdehnung größer als die der Membran-Elektroden-Einheit und eine erste Öffnung mit einer flächigen Ausdehnung kleiner als die der Membran-Elektroden-Einheit aufweist und die zweite Rahmenplatte eine flächige Ausdehnung größer als die der Membran-Elektroden-Einheit und eine zweite Öffnung mit einer flächigen Ausdehnung kleiner als die der Membran-Elektroden-Einheit aufweist. Bevorzugt wird die Membran-Elektroden-Einheit dann so zwischen den Rahmenplatten angeordnet, dass die erste Elektrodenschicht zumindest teilweise innerhalb einer Normalprojektion der ersten Öffnung angeordnet ist und die zweite Elektrodenschicht zumindest teilweise innerhalb einer Normalprojektion der zweiten Öffnung angeordnet ist.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste Rahmenplatte und die zweite Rahmenplatte so bereitgestellt oder nach dem Anordnen oder nach dem Verpressen so zugeschnitten, dass die erste Rahmenplatte erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen und die zweite Rahmenplatte zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen aufweist, wobei zumindest eine erste oder zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung eine flächige Ausdehnung kleiner als die der korrespondierenden zweiten oder ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung aufweist. Bevorzugt wird die Membran-Elektroden-Einheit dann so zwischen den Rahmenplatten angeordnet, dass die flächig geringer ausgedehnte der ersten und zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung innerhalb einer Normalprojektion der flächig größer ausgedehnten der ersten und zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung angeordnet ist. Eine Normalprojektion im Rahmen dieser Anmeldung ist stets auf eine Normalenrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung bezogen.
In einer ferner bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erste Rahmenplatte und die zweite Rahmenplatte so bereitgestellt oder nach dem Anordnen oder nach dem Verpressen so zugeschnitten, dass eine von der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte eine flächige Ausdehnung kleiner als die andere von der ersten Rahmenplatte und der zweiten Rahmenplatte aufweist. Bevorzugt wird die Membran-Elektroden-Einheit dann so zwischen den Rahmenplatten angeordnet, dass die flächig ausgedehntere von der ersten und zweiten Rahmenplatte über die andere der ersten und zweiten Rahmenplatte in alle Richtungen senkrecht zu einer Normalenrichtung der Membran-Elektroden-Anordnung übersteht.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik (A) in einer Explosionsdarstellung und (B) nach dem Verpressen;
2 eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform (A) in einer Explosionsdarstellung, (B) nach dem Verpressen und (C) in einer Detaildarstellung;
4 eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
5 eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 gemäß dem Stand der Technik in (A) einer Explosionsdarstellung und (B) nach dem Verpressen.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 gemäß dem Stand der Technik weist eine Membran-Elektroden-Einheit 2, eine erste Rahmenplatte 3 und eine zweite Rahmenplatte 4 auf. Die erste Rahmenplatte 3 weist eine erste Öffnung 5 auf und die zweite Rahmenplatte 4 weist eine zweite Öffnung 6 auf. Die erste Öffnung 5 und die zweite Öffnung 6 werden vor dem Verpressen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 in die Rahmenplatten 3, 4 eingebracht.
Wie in 1 (A) dargestellt, wird die die Membran-Elektroden-Einheit 2 so zwischen der ersten Rahmenplatte 3 und zweiten Rahmenplatte 4 angeordnet, dass die auf der Membran-Elektroden-Einheit 2 angeordnete katalytische Anode (nicht dargestellt) innerhalb einer Normalprojektion der ersten Öffnung 5 angeordnet ist und die auf der Membran-Elektroden-Einheit 2 angeordnete katalytische Kathode (nicht dargestellt) innerhalb einer Normalprojektion der zweiten Öffnung 6 angeordnet ist. Zudem weisen die Membran-Elektroden-Einheit 2 und die Rahmenplatten 3, 4 einen Überlappungsbereich 7 auf, in dem ein Randbereich der Membran-Elektroden-Einheit 2 über die erste Rahmenplatte 3 und die zweite Rahmenplatte 4 übersteht.
Auf der zweiten Rahmenplatte 4 zugewandte Abschnitte der ersten Rahmenplatte 3 wird anschließend die in 2 dargestellte haftvermittelnde Schicht 9 aufgetragen. Anschließend werden die erste Rahmenplatte 3 und die zweite Rahmenplatte 4 verpresst, sodass die Membran-Elektroden-Einheit 2 zwischen den Rahmenplatten 3, 4 angeordnet und stoff-, form- und kraftschlüssig mit diesen verbunden wird.
Wie in 1 (B) dargestellt, werden nach dem Verpressen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 Betriebsmitteldurchgangsöffnungen in die Rahmenanordnung eingebracht. Insgesamt werden sechs Betriebsmitteldurchgangsöffnungen in die Rahmenanordnung eingebracht, jeweils eine Zuleitung und eine Ableitung für das Anodenbetriebsmittel, das Kathodenbetriebsmittel und ein Kühlmittel. In 1 (B) sind lediglich die ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 in der ersten Rahmenplatte 3 dargestellt. Diese sind deckungsgleich mit den gleichzeitig ausgebildeten zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (nicht dargestellt) in der zweiten Rahmenplatte und weiteren Betriebsmitteldurchgangsöffnungen in der haftvermittelnden Schicht 9.
2 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik. In dem Brennstoffzellenstapel ist eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 gemäß dem Stand der Technik, wie in 1 dargestellt, zwischen einer ersten Bipolarplatte 10 und einer zweiten Bipolarplatte 11 angeordnet. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist in einem Randbereich durch eine erste Rahmenplatte 3, eine zweite Rahmenplatte 4 und eine dazwischen angeordnete haftvermittelnde Schicht 9 angeordnet. Eine Membran-Elektroden-Einheit 2 ist im Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 1 nicht angeordnet.
In dem Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist ein erstes Dichtungsmittel 12 zwischen der ersten Bipolarplatte 10 und der ersten Rahmenplatte 3 angeordnet. Ferner ist ein zweites Dichtungsmittel 13 zwischen der zweiten Bipolarplatte 11 und der zweiten Rahmenplatte 4 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich, kann ein Auskriechen der haftvermittelnden Schicht 9 zu Schwankungen der Dicke der haftvermittelnden Schicht 9 führen. Dies führt zu einem verminderten Kontakt zwischen dem ersten Dichtungsmittel 12 und der ersten Rahmenplatte 3 beziehungsweise zwischen dem zweiten Dichtungsmittel 13 und der zweiten Rahmenplatte 4.
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform (A) in einer Explosionsdarstellung, (B) nach dem Verpressen und (C) in einer Detaildarstellung.
Wie in 3 (A) dargestellt, weist die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 1 eine erste Rahmenplatte 3 und eine zweite Rahmenplatte 4 sowie eine zwischen den Rahmenplatten 3, 4 angeordnete Membran-Elektroden-Einheit 2 auf. Die erste Rahmenplatte 3 weist eine erste Öffnung 5 und die zweite Rahmenplatte 4 weist eine zweite Öffnung 6 auf, die vor dem Zusammenfügen und Verpressen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 in die Rahmenplatten 3, 4 eingebracht, beispielsweise gesägt, werden. Die erste Rahmenplatte 3 weist erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 auf, die vor dem Zusammenfügen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 in die erste Rahmenplatte 3 eingebracht worden sind. Die zweite Rahmenplatte 4 weist eine flächige Ausdehnung größer als die der Membran-Elektroden-Einheit 2 und größer als die der ersten Rahmenplatte 3 auf.
Anschließend wird eine haftvermittelnde Schicht 9, wie in 4 dargestellt, auf der zweiten Rahmenplatte 4 gegenüberliegenden Abschnitten der ersten Rahmenplatte 3 aufgebracht. Anschließend wird die Membran-Elektroden-Einheit 2 mit einem Überlappungsbereich 7 zwischen den Rahmenplatten 3, 4 angeordnet und durch Verpressen der Rahmenplatten 3, 4 stoff-, kraft- und formschlüssig mit diesen verbunden. Da die zweite Rahmenplatte 4 eine flächige Ausdehnung größer als die erste Rahmenplatte 3 aufweist, wird zudem ein zweiter Randbereich 16 in Form eines peripheren Kantenbereichs ausgebildet, der die Membran-Elektroden-Anordnung 1 vollständig peripher umläuft. Dieser zweite Randbereich 16 ist erfindungsgemäß als Dichtungssitz 17 ausgebildet.
Nach dem Zusammenfügen und Verpressen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 werden zu den ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 korrespondierende zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 14 in die zweite Rahmenplatte 4 eingebracht. Die zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 14 weisen jeweils eine geringere flächenmäßige Ausdehnung auf als die jeweils korrespondierenden ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 und sind innerhalb einer Normalprojektion der jeweils korrespondierenden ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung 8 angeordnet. Somit wird in jeder ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung 8 ein zweiter Randbereich 16 gebildet, in dem die zweite Rahmenplatte 4 in den ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 in alle Normalenrichtungen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 über die Kantenbereiche der ersten Rahmenplatte 3 übersteht, wie in der Detaildarstellung der 3 (C) dargestellt. Die in allen ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 8 gebildeten zweiten Randbereiche 16 sind ebenfalls als Dichtungssitze 17 ausgebildet.
4 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform, insbesondere einen peripheren Kantenbereich einer zwischen einer ersten Bipolarplatte 10 und einer zweiten Bipolarplatte 11 angeordneten erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 1.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist eine erste Rahmenplatte 3 auf, die in einem peripheren Kantenbereich einen ersten Randbereich 15 aufweist, in dem die erste Rahmenplatte 3 über die zweite Rahmenplatte 4 übersteht. Eine haftvermittelnde Schicht 9 ist zwischen der ersten Rahmenplatte 3 und der zweiten Rahmenplatte 4 angeordnet. Ein erstes Dichtungsmittel 12 ist im ersten Randbereich 15 zwischen der ersten Bipolarplatte 10 und der ersten Rahmenplatte 3 angeordnet. Ein zweites Dichtungsmittel 13 ist im ersten Randbereich 15 zwischen der zweiten Bipolarplatte 11 und der zweiten Rahmenplatte 4 angeordnet. Die Rahmenplatte 3 ist in dem ersten Randbereich 15 beidseitig als Dichtungssitz 17 ausgebildet. Wie 4 zu entnehmen, ist die Abdichtung durch das erste beziehungsweise zweite Dichtungsmittel 12, 13 und der ersten Rahmenplatte 3 von einem eventuellen Auskriechen der haftvermittelnden Schicht 9 weitgehend unabhängig. Zudem kann der durch die Dichtungsmittel 12, 13 auf die Membran-Elektroden-Anordnung 1 aufgebrachte Pressdruck kein Auskriechen der haftvermittelnden Schicht 9 bewirken.
5 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform, insbesondere einen peripheren Kantenbereich einer zwischen einer ersten Bipolarplatte 10 und einer zweiten Bipolarplatte 11 angeordneten erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung 1.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist eine erste Rahmenplatte 3 auf, die in einem peripheren Kantenbereich einen ersten Randbereich 15 aufweist, in dem die erste Rahmenplatte 3 über die zweite Rahmenplatte 4 übersteht. Eine haftvermittelnde Schicht 9 ist zwischen der ersten Rahmenplatte 3 und der zweiten Rahmenplatte 4 angeordnet und erstreckt sich zudem in den ersten Randbereich 15 der ersten Rahmenplatte 3. Die erste Rahmenplatte 3 ist in dem ersten Randbereich 15 als Dichtungssitz 17 ausgebildet und so ausgeformt, dass sie die zweite Bipolarplatte 11 kontaktiert. Kontaktiert bedeutet dabei, dass die erste Rahmenplatte 3 über die haftvermittelnde Schicht 9 in mittelbarem Kontakt mit der zweiten Bipolarplatte 11 steht.
Ein erstes Dichtungsmittel 12 ist im ersten Randbereich 15 zwischen der ersten Bipolarplatte 10 und der ersten Rahmenplatte 3 angeordnet. Ein zweites Dichtungsmittel 13 ist gemäß dieser Ausführungsform aufgrund des Kontakts von erster Rahmenplatte 3 und zweiter Bipolarplatte 11 nicht notwendig. Die erste Rahmenplatte 3 ist in dem ersten Randbereich 15 somit nur einseitig als Dichtungssitz 17 ausgebildet. Wie 5 zu entnehmen, kann ein eventuelles Auskriechen der haftvermittelnden Schicht 9 durch die Elastizität des ersten Dichtungsmittels 12, welches in etwa doppelt so groß dimensioniert ist wie gemäß dem Stand der Technik, ausgeglichen werden. Somit ist auch gemäß dieser Ausführungsform die Abdichtung durch das erste Dichtungsmittel 12 und der ersten Rahmenplatte 3 von einem eventuellen Auskriechen der haftvermittelnden Schicht 9 weitgehend unabhängig.
Bezugszeichenliste

1: Membran-Elektroden-Anordnung
2: Membran-Elektroden-Einheit
3: erste Rahmenplatte
4: zweite Rahmenplatte
5: erste Öffnung
6: zweite Öffnung
7: Überlappungsbereich
8: erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen
9: haftvermittelnde Schicht
10: erste Bipolarplatte
11: zweite Bipolarplatte
12: erstes Dichtungsmittel
13: zweites Dichtungsmittel
14: zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen
15: erster Randbereich
16: zweiter Randbereich
17: Dichtungssitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7544219 B2 [0008]
US 2014/0127608 A1 [0008]

Claims

Membran-Elektroden-Anordnung (1) für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Membran-Elektroden-Einheit (2); und eine die Membran-Elektroden-Einheit (2) peripher umlaufende und stoff- und/oder formschlüssig mit dieser verbundene Rahmenanordnung; wobei die Rahmenanordnung eine erste Rahmenplatte (3), eine zweite Rahmenplatte (4) und eine die erste Rahmenplatte (3) und die zweite Rahmenplatte (4) verbindende haftvermittelnde Schicht (9) aufweist; wobei die Rahmenanordnung zumindest einen ersten Randbereich (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rahmenplatte (3) in dem ersten Randbereich (15) eine größere Ausdehnung aufweist als die zweite Rahmenplatte (4), und ein in dem ersten Randbereich (15) über die zweite Rahmenplatte (4) überstehender Abschnitt der ersten Rahmenplatte (3) als Dichtungssitz (17) ausgebildet ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenanordnung zumindest einen zweiten Randbereich (16) aufweist, wobei die zweite Rahmenplatte (4) in dem zweiten Randbereich (16) eine größere Ausdehnung aufweist als die erste Rahmenplatte (3) und ein in dem zweiten Randbereich (16) über die erste Rahmenplatte (3) überstehender Abschnitt der zweiten Rahmenplatte (4) als Dichtungssitz (17) ausgebildet ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der ersten Rahmenplatte (3) erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (8) und in der zweiten Rahmenplatte (4) zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (14) ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Randbereich (15) ein eine erste Betriebsmitteldurchgangsöffnung (8) peripher umlaufender Kantenbereich ist; zumindest ein zweiter Randbereich (16) ein eine zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung (14) umlaufender peripher Kantenbereich ist; und/oder ein erster Randbereich (15) oder ein zweiter Randbereich (16) ein die Rahmenanordnung peripher umlaufender Kantenbereich ist.
Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich die haftvermittelnde Schicht (9) auf zumindest einen überstehenden Abschnitt der ersten Rahmenplatte (3) und/oder der zweiten Rahmenplatte (4) erstreckt.
Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (2) und die Rahmenanordnung einen Überlappungsbereich (7) aufweisen, in dem die Membran-Elektroden-Einheit (2) zwischen der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erste Bipolarplatte (10) und eine zweite Bipolarplatte (11); eine zwischen der ersten Bipolarplatte (10) und der zweiten Bipolarplatte (11) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich zwischen einem als Dichtungssitz (17) ausgebildeten überstehenden Abschnitt von einer der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) der Membran-Elektroden-Anordnung (1) und der ersten Bipolarplatte (10) durch ein erstes Dichtungsmittel (12) abgedichtet ist, und/oder ein Bereich zwischen einem als Dichtungssitz (17) ausgebildeten überstehenden Abschnitt von einer der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) der Membran-Elektroden-Anordnung (1) und der zweiten Bipolarplatte (11) durch ein zweites Dichtungsmittel (13) abgedichtet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dichtungsmittel (12) als ein vorspringender Abschnitt der ersten Bipolarplatte (10) oder als ein zwischen dem als Dichtungssitz (17) ausgebildeten überstehenden Abschnitt und der ersten Bipolarplatte (10) angeordnetes Dichtungselement ausgebildet ist, und/oder das zweite Dichtungsmittel (13) als ein vorspringender Abschnitt der zweiten Bipolarplatte (11) oder als ein zwischen dem als Dichtungssitz (17) ausgebildeten überstehenden Abschnitt und der zweiten Bipolarplatte (11) angeordnetes Dichtungselement ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Dichtungssitz (17) ausgebildete überstehende Abschnitt der ersten Rahmenplatte (3) die zweite Bipolarplatte (11) kontaktiert oder der als Dichtungssitz (17) ausgebildete überstehende Abschnitt der zweiten Rahmenplatte (4) die erste Bipolarplatte (10) kontaktiert.
Verfahren zum Herstellen einer Membran-Elektroden-Anordnung (1), aufweisend die Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Membran-Elektroden-Einheit (2), aufweisend eine Polymerelektrolytmembran mit einer ersten Hauptoberfläche und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche, eine auf der ersten Hauptoberfläche angeordnete erste Elektrodenschicht, und eine gegenüber der ersten Elektrodenschicht auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnete zweite Elektrodenschicht; Bereitstellen einer ersten Rahmenplatte (3) mit einer ersten Öffnung (5) und einer zweiten Rahmenplatte (4) mit einer zweiten Öffnung (6); Auftragen einer haftvermittelnden Schicht (9) auf die erste Rahmenplatte (3) und/oder auf die zweite Rahmenplatte (4); Anordnen der Membran-Elektroden-Einheit (2) zwischen der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4), wobei die erste Elektrodenschicht innerhalb der ersten Öffnung (5) und die zweite Elektrodenschicht innerhalb der zweiten Öffnung (6) angeordnet ist; und Verpressen der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4); dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rahmenplatte (3) so bereitgestellt oder nach dem Anordnen so zugeschnitten wird, dass sie in einem ersten Randbereich (15) eine größere Ausdehnung aufweist als die zweite Rahmenplatte (4); und/oder die zweite Rahmenplatte (4) so bereitgestellt oder nach dem Anordnen so zugeschnitten wird, dass sie in einem zweiten Randbereich (16) eine größere Ausdehnung aufweist als die erste Rahmenplatte (3).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rahmenplatte (3) und die zweite Rahmenplatte (4) so bereitgestellt oder nach dem Anordnen zugeschnitten werden, dass die erste Rahmenplatte (3) eine flächige Ausdehnung größer als die der Membran-Elektroden-Einheit (2) und eine erste Öffnung (5) mit einer flächigen Ausdehnung kleiner als die der Membran-Elektroden-Einheit (2) aufweist; die zweite Rahmenplatte (4) eine flächige Ausdehnung größer als die der Membran-Elektroden-Einheit (2) und eine zweite Öffnung (6) mit einer flächigen Ausdehnung kleiner als die der Membran-Elektroden-Einheit (2) aufweist; die erste Rahmenplatte (3) erste Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (8) und die zweite Rahmenplatte (4) zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnungen (14) aufweist; eine von der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) eine flächige Ausdehnung kleiner als die andere von der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) aufweist; und/oder zumindest eine erste oder zweite Betriebsmitteldurchgangsöffnung (8, 14) eine flächige Ausdehnung kleiner als die einer korrespondierenden zweiten oder ersten Betriebsmitteldurchgangsöffnung (14, 8) aufweist und die Membran-Elektroden-Einheit (2) so zwischen der ersten Rahmenplatte (3) und der zweiten Rahmenplatte (4) angeordnet wird, dass die flächig geringer ausgedehnte der ersten und zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung (8, 14) innerhalb der flächig größer ausgedehnten der ersten und zweiten Betriebsmitteldurchgangsöffnung (8, 14) angeordnet ist.