DE102016202481A1 - Fuel cell stack and method for producing such a fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (12) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Mehrzahl Bipolarplatten (26), jeweils mit einer ersten Plattenoberfläche (46), einer der ersten Plattenoberfläche (46) gegenüberliegenden zweiten Plattenoberfläche (48) und einen die Plattenoberflächen (46, 48) verbindenden Plattenrand (50) und eine jeweils zwischen zwei Bipolarplatten (26) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (28). Die Membran-Elektroden-Anordnung (28) weist dabei auf: eine erste Hauptoberfläche (36) mit einem ersten Randbereich (40), eine der ersten Hauptoberfläche (36) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (38) mit einem zweiten Randbereich (42) und ein mit dem ersten Randbereich (40) und dem zweiten Randbereich (42) verbundenes und zwischen zwei Plattenoberflächen (46, 48) angeordnetes Elastomerelement (52). Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels (12). Es ist vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel (12) durch Verpressen in einer Richtung (54) parallel zu einer Flächennormalen der Bipolarplatten (26) von einem ersten in einen zweiten Zustand überführbar ist, und das Elastomerelement (52) in dem ersten Zustand über keinen Plattenrand (50) übersteht und in dem zweiten Zustand über beide Plattenränder (50) übersteht.The invention relates to a fuel cell stack (12) for a fuel cell system, comprising a plurality of bipolar plates (26) each having a first plate surface (46), a second plate surface (48) opposite the first plate surface (46) and a plate surface (46, 48) ) connecting plate edge (50) and in each case between two bipolar plates (26) arranged membrane electrode assembly (28). The membrane-electrode arrangement (28) has a first main surface (36) with a first edge region (40), a second main surface (38) opposite the first main surface (36) and having a second edge region (42) the elastomeric element (52) connected to the first edge region (40) and the second edge region (42) and arranged between two plate surfaces (46, 48). The invention also relates to a method for producing such a fuel cell stack (12). It is provided that the fuel cell stack (12) can be converted from a first to a second state by pressing in one direction (54) parallel to a surface normal of the bipolar plates (26), and the elastomer element (52) in the first state via no plate edge (50) and in the second state over both plate edges (50) protrudes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Elastomerelement als zentrierbarem Isolationselement, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit solch einem Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem. The invention relates to a fuel cell stack, comprising a membrane-electrode arrangement with an elastomer element as a centerable insulating element, and a method for producing such a fuel cell stack. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with such a fuel cell stack and a vehicle with such a fuel cell system.

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 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. Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells as a core component to a membrane-electrode assembly (MEA - membrane electrode assembly) with a membrane electrode assembly. The latter is formed by a proton-conducting membrane on which electrodes are arranged on both sides. In this case, the membrane separates the anode chamber associated with the anode and the cathode chamber associated with the cathode gas-tight from each other and electrically isolated. In addition, gas diffusion layers can be arranged on the non-membrane-facing sides of the electrodes.

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. During operation of the fuel cell, a hydrogen-containing fuel is supplied to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + occurs with the emission of electrons. Via the electrolytic membrane, a water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with an oxygen-containing operating medium, so that there is a reduction of O 2 to O 2 - taking the electrons. These oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. The direct conversion of chemical into electrical energy is not limited by the Carnot factor and therefore has improved efficiency over other heat engines.

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. As a rule, a fuel cell is formed by a multiplicity of MEAs arranged in a fuel cell stack (stack), the electrical powers of which accumulate. Bipolar plates are usually arranged between the membrane-electrode assemblies, which ensure a supply of the individual MEA with the reactants and a cooling liquid and act as an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist mehrere Einzelzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelemente 18 auf. Die Einzelzellen 14 weisen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 20 mit einer protonenleitenden Membran 22 (Polymerelektrolytmembran) und beidseitig an dieser angeordneten Elektroden (Anode und Kathode; nicht dargestellt) auf. Die Elektroden sind jeweils zwischen der Membran 22 und einer Gasdiffusionslage 24 angeordnet. Die Elektroden sind entweder beidseitig auf die Membran 22 beschichtet oder mit den Gasdiffusionslagen 24 zu sogenannten Gasdiffusionselektroden verbunden. Jede Membran-Elektroden-Einheit 20 ist zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnet. Die Bipolarplatten 26 versorgen die Membran-Elektroden-Einheiten 20 durch die Gasdiffusionslagen 24 hindurch mit den Betriebsmedien und weisen hierfür in der Regel geeignete Kanäle auf. Zudem werden zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 20 durch die dazwischen liegende Bipolarplatte 26 elektrisch leitfähig verbunden und in Reihe geschaltet. Die beiden endständigen Bipolarplatten 26, auch als Monopolarplatten bezeichnet, sind nur einseitig zur Versorgung einer ebenfalls nur einseitig anliegenden Membran-Elektroden-Einheit 20 mit einem Betriebsmedium ausgebildet. A fuel cell stack according to the prior art is in 1 shown schematically. This fuel cell stack 12 has several single cells 14 , two end plates 16 and tension elements 18 on. The single cells 14 each have a membrane-electrode unit 20 with a proton-conducting membrane 22 (Polymerelektrolytmembran) and on both sides of this arranged electrodes (anode and cathode, not shown) on. The electrodes are each between the membrane 22 and a gas diffusion layer 24 arranged. The electrodes are either on both sides of the membrane 22 coated or with the gas diffusion layers 24 connected to so-called gas diffusion electrodes. Each membrane-electrode unit 20 is between two bipolar plates 26 arranged. The bipolar plates 26 supply the membrane-electrode units 20 through the gas diffusion layers 24 through with the operating media and have for this purpose usually suitable channels. In addition, two adjacent membrane-electrode units 20 through the interposed bipolar plate 26 electrically connected and connected in series. The two terminal bipolar plates 26 , also referred to as monopolar plates, are only one-sided for the supply of a likewise only one-sided adjacent membrane-electrode unit 20 formed with a working medium.

Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 20 und den Bipolarplatten 26 sind in 1 nicht sichtbare Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel 12 verhindern. Diese Dichtungen sind auf den Membran-Elektroden-Einheiten 20, den Bipolarplatten 26 oder diesen beiden Komponenten vorgesehen. Die Gesamtheit aus Membran-Elektroden-Einheit 20 und Dichtungen wird als Membran-Elektroden-Anordnung 28 bezeichnet. Between the membrane electrode units 20 and the bipolar plates 26 are in 1 arranged invisible seals, which seal the anode and cathode spaces to the outside and leakage of the operating media from the fuel cell stack 12 prevent. These seals are on the membrane electrode assemblies 20 , the bipolar plates 26 or these two components. The whole of membrane-electrode unit 20 and gaskets is called membrane electrode assembly 28 designated.

Zum Abdichten des Stapels und zum Gewährleisten des elektrischen Kontakts zwischen Bipolarplatten 26 und Membran-Elektroden-Anordnungen 28 wird der Brennstoffzellenstapel 12 vor der Inbetriebnahme verpresst. In der Regel sind dazu die zwei an den Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angeordneten Endplatten 16 mittels der Zugelemente 18 verbunden. Durch Einleiten von Zugkräften über die Zugelemente 18 in die Endplatten 16 wird der Brennstoffzellenstapel 12 zusammengepresst. To seal the stack and to ensure electrical contact between bipolar plates 26 and membrane-electrode assemblies 28 becomes the fuel cell stack 12 compressed before commissioning. In general, these are the two at the ends of the fuel cell stack 12 arranged end plates 16 by means of the tension elements 18 connected. By introducing tensile forces over the tension elements 18 in the end plates 16 becomes the fuel cell stack 12 compressed.

Die EP 1 553 652 B1 offenbart ein Verfahren zum Abdichten eines Brennstoffzellenstapels, wobei Silikondichtungen so auf den Bipolarplatten angeordnet werden, dass sich jeweils zwei Silikondichtungen beim Verpressen der Bipolarplatten stoffschlüssig miteinander verbinden. Um ein seitliches Verdrängen des Silikons während des Verpressens zu vermeiden, weisen die Bipolarplatten Vertiefungen zum Einlegen der Dichtungen auf. The EP 1 553 652 B1 discloses a method for sealing a fuel cell stack, wherein silicone gaskets are arranged on the bipolar plates such that in each case two silicone gaskets cohesively connect to one another during pressing of the bipolar plates. In order to avoid a lateral displacement of the silicone during the pressing, the bipolar plates on recesses for inserting the seals.

Die WO 03/100894 A2 offenbart eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem umlaufenden Dichtungsrand. Der Dichtungsrand wird erzeugt, indem ein Elastomer beidseitig auf Randbereiche einer Polymerelektrolytmembran aufgebracht, mithilfe eines Formwerkzeugs verpresst und an die Kante der Membran angeformt wird. The WO 03/100894 A2 discloses a membrane electrode assembly with a circumferential one Sealing edge. The sealing edge is produced by applying an elastomer on both sides to edge regions of a polymer electrolyte membrane, pressing it by means of a molding tool and molding it to the edge of the membrane.

Um vor dem Verpressen ein bündiges Ausrichten eines Brennstoffzellenstapels sicherzustellen, weisen die Membran-Elektroden-Anordnungen und die Bipolarplatten in der Regel ein oder mehrere Zentrierbereiche auf. Die Zentrierbereiche können dabei als Zentrierungsabschnitte an peripheren Randbereichen oder als Zentrieröffnungen an inneren Randbereichen der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sein. Somit kann mittels Durchführen oder Anlegen eines oder mehrerer Zentrierelemente durch einen Brennstoffzellenstapel die Ausrichtung von dessen Elemente zueinander definiert werden. To ensure a flush alignment of a fuel cell stack prior to compression, the membrane-electrode assemblies and the bipolar plates typically have one or more centering regions. The centering regions can be arranged as centering sections on peripheral edge regions or as centering openings on inner edge regions of the membrane electrode assembly. Thus, by aligning or applying one or more centering elements through a fuel cell stack, the alignment of its elements with each other can be defined.

Während die elektrische Isolation zweier benachbarter Bipolarplatten in der Fläche über die Durchschlagsfestigkeit der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere der Membran-Elektroden-Einheit, gewährleistet wird, müssen am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung zur Verhinderung von elektrischen Kriechströmen zusätzlich elektrische Isolationselemente vorgesehen werden. Diese erstrecken sich in der Regel in einer Richtung parallel zu einer flächigen Ausdehnung der Membran-Elektroden-Anordnung und stehen über den Rand der Bipolarplatten über, zwischen denen somit auch am Rand eine Mindestkriechstrecke ( DIN-EN 60664-1 ) eingehalten wird. While the electrical insulation of two adjacent bipolar plates in the surface is ensured by the dielectric strength of the membrane-electrode assembly, in particular the membrane-electrode assembly, additional electrical insulation elements must be provided at the edge of the membrane-electrode assembly to prevent electrical leakage currents , These generally extend in a direction parallel to a planar extent of the membrane-electrode arrangement and project beyond the edge of the bipolar plates, between which thus also at the edge a minimum creepage distance ( DIN EN 60664-1 ) is complied with.

Die Anforderungen an die Zentrierbarkeit eines Brennstoffzellenstapels vor dem Verpressen kollidiert jedoch mit der Anforderung an die Einhaltung von minimalen Kriechstrecken an dessen Rändern. Insbesondere ist es nicht möglich Randbereiche, die ein überstehendes elastisches Isolationselement aufweisen, zuverlässig auszurichten. Bislang werden die Bipolarplatten in den zu zentrierenden Randbereichen daher zum Rand hin verjüngend ausgebildet, um am peripheren Ende von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnung einen jeweils möglichst großen Abstand zwischen den Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Anordnung zu erzielen. So kann auf den Einsatz zusätzlicher Isolationselemente in Zentrierbereichen verzichtet werden. Die maximale Kriechstrecke ist dabei jedoch auf die Dicke der zu isolierenden Bipolarplatte plus die Dicke der dazwischenliegenden Membran beschränkt, was den Einsatz immer dünnerer Bipolarplatten erschwert. Zudem besteht die Gefahr, dass die verjüngten Bereiche ohnehin schon dünner Bipolarplatten beim Verpressen mechanisch versagen. However, the requirements for the centerability of a fuel cell stack before compression collide with the requirement for compliance with minimal creepage distances at the edges. In particular, it is not possible to reliably align edge regions which have a projecting elastic insulation element. So far, the bipolar plates in the edge regions to be centered are therefore tapered towards the edge in order to achieve the greatest possible distance between the bipolar plates and the membrane-electrode arrangement at the peripheral end of bipolar plates and membrane-electrode arrangement. So can be dispensed with the use of additional insulation elements in Zentrierbereichen. However, the maximum creepage distance is limited to the thickness of the bipolar plate to be isolated plus the thickness of the intermediate membrane, which makes the use of increasingly thinner bipolar plates more difficult. There is also the risk that the tapered areas of already thin bipolar plates mechanically fail during pressing.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen zentrierbaren Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem notwendige Mindestkriechabstände benachbarter Bipolarplatten eingehalten werden können. The invention is based on the object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a centerable fuel cell stack, in the necessary minimum creepage distances of adjacent bipolar plates can be maintained.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche. This object is achieved by a fuel cell stack and a method for producing such a fuel cell stack having the features of the independent claims. Preferred developments are the subject of the respective dependent claims.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem aufweisend eine Mehrzahl, bevorzugt flächengleicher Bipolarplatten, wobei jede Bipolarplatte eine erste Plattenoberfläche, eine der ersten Plattenoberfläche gegenüberliegende zweite Plattenoberfläche und einen die Plattenoberflächen verbindenden Plattenrand aufweist. Zwischen jeweils zwei Bipolarplatten ist jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, die im Wesentlichen aus einer Membran-Elektroden-Einheit und darauf angeordneten Dichtungen gebildet ist. Jede Membran-Elektroden-Anordnung weist eine erste Hauptoberfläche mit einem ersten Randbereich, eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche mit einem zweiten Randbereich und bevorzugt einen den ersten Randbereich und den zweiten Randbereich verbindenden Kantenbereich auf. Ein dielektrisches Elastomerelement ist mit dem ersten Randbereich und dem zweiten Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden und zwischen zwei Plattenoberflächen angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Brennstoffzellenstapel durch Verpressen in Stapelrichtung, das heißt in einer Richtung parallel zu einer Flächennormalen der Bipolarplatten, von einem ersten, unverpressten in einen zweiten, verpressten Zustand überführbar, wobei das Elastomerelement in dem ersten Zustand über keinen Plattenrand übersteht und in dem zweiten Zustand über beide Plattenränder übersteht. The object is achieved by a fuel cell stack for a fuel cell system comprising a plurality of preferably coextensive bipolar plates, each bipolar plate having a first plate surface, a second plate surface opposite the first plate surface and a plate edge connecting the plate surfaces. Between each two bipolar plates in each case a membrane electrode assembly is arranged, which is formed essentially of a membrane-electrode assembly and arranged thereon seals. Each membrane-electrode assembly has a first main surface with a first edge region, a second main surface opposite the first main surface with a second edge region, and preferably an edge region connecting the first edge region and the second edge region. A dielectric elastomeric member is connected to the first edge portion and the second edge portion of the membrane-electrode assembly and disposed between two plate surfaces. According to the invention, the fuel cell stack can be transferred from a first, unpressed to a second, compressed state by pressing in the stacking direction, that is to say in a direction parallel to a surface normal of the bipolar plates, the elastomer element not protruding beyond a plate edge in the first state and in the second state over both board edges survives.

Ein Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht vorteilhaft ein zuverlässiges Zentrieren des Brennstoffzellenstapels vor dem Verpressen. Dabei ist das Elastomerelement in dem ersten Zustand zwischen den Bipolarplatten angeordnet, ohne über einen Plattenrand überzustehen. Somit kann ein Zentrierelement an einen Zentrierbereich eines Plattenrandes der Bipolarplatten angelegt werden, um diese gegeneinander auszurichten, ohne mit dem Elastomerelement zu interagieren. In einem zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels nach dem Verpressen steht das Elastomerelement über beide Plattenränder der die Membran-Elektroden- Anordnung begrenzenden Bipolarplatten über. Der über die Plattenränder überstehende Umfang des dielektrischen Elastomerelements bildet dann die kürzeste Kriechstrecke zwischen den Bipolarplatten. Somit bewirkt das dielektrische Elastomerelement im zweiten Zustand eine verbesserte elektrische Isolation benachbarter Bipolarplatten. A fuel cell stack according to an embodiment of the invention advantageously enables reliable centering of the fuel cell stack prior to compression. In this case, the elastomer element is arranged in the first state between the bipolar plates, without overhanging a plate edge. Thus, a centering element may be applied to a centering area of a plate edge of the bipolar plates to align them with each other without interacting with the elastomeric element. In a second state of the fuel cell stack after compression, the elastomer element projects beyond both plate edges of the bipolar plates delimiting the membrane-electrode arrangement. The circumference of the dielectric elastomer element projecting beyond the plate edges then forms the shortest creepage distance between the bipolar plates. Thus, the dielectric causes Elastomer element in the second state, an improved electrical insulation of adjacent bipolar plates.

Weiterhin bevorzugt weisen die beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Bipolarplatten jeweils eine Vertiefung zur Aufnahme des Elastomerelements auf. Dabei kann eine Bipolarplatte in einem über dem Elastomerelement angeordneten Bereich eine reduzierte Dicke aufweisen. In diesem Zusammenhang ist ein Bereich einer Bipolarplatte dann über dem Elastomerelement angeordnet, wenn eine Flächennormale dieses Bereichs das Elastomerelement schneidet. Bevorzugt schneidet die Flächennormale auch den korrespondierenden Bereich der gegenüberliegenden Bipolarplatte. In dem zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels, in dem die Bipolarplatten prinzipiell an der Membran-Elektroden-Anordnung anliegen, bilden die Vertiefungen zweier benachbarter Bipolarplatten dann eine Aussparung im Bereich des Elastomerelements. Sind die Bereiche reduzierter Dicke periphere Randbereiche, bilden die Bipolarplatten in diesen Bereichen eine Nut. Die Aussparung hat den Vorteil, dass die Bipolarplatten in den innenliegenden Bereichen des Brennstoffzellenstapels ausreichend fest an der Membran-Elektroden-Anordnung anliegen und hat ferner Einfluss auf das verdrängte Volumen des Elastomerelements. Gegenüber einer Ausführungsform ohne derartige Vertiefungen, kann die zum Verpressen des Stapels in den zweiten Zustand notwendige Kraft reduziert werden. Further preferably, the bipolar plates arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement each have a depression for receiving the elastomer element. In this case, a bipolar plate may have a reduced thickness in a region arranged above the elastomer element. In this regard, a portion of a bipolar plate is then disposed over the elastomeric member when a surface normal of that portion intersects the elastomeric member. Preferably, the surface normal also intersects the corresponding region of the opposite bipolar plate. In the second state of the fuel cell stack, in which the bipolar plates abut in principle on the membrane-electrode arrangement, the depressions of two adjacent bipolar plates then form a recess in the region of the elastomer element. If the regions of reduced thickness are peripheral edge regions, the bipolar plates form a groove in these regions. The recess has the advantage that the bipolar plates in the inner regions of the fuel cell stack abut sufficiently firmly against the membrane-electrode arrangement and also has an influence on the displaced volume of the elastomer element. Compared to an embodiment without such depressions, the force required to press the stack into the second state can be reduced.

Das Elastomerelement weist in einer Stapelrichtung eine größere Ausdehnung als die restliche Membran-Elektroden-Einheit, bevorzugt als die restliche Membran-Elektroden-Anordnung, auf. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die im zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten ausgebildete minimale Kriechstrecke aus. Besonders bevorzugt weist das Elastomerelement ein größeres Volumen als die Aussparung, beziehungsweise Nut, auf. Im zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels wird dann ein Teilvolumen des Elastomerelements aus der Aussparung (Nut), und da die Aussparung (Nut) in der von den Plattenrändern weg weisenden Richtung verschlossen ist, über die Plattenränder hinweg verdrängt. Das Verhältnis der Volumina von Aussparung (Nut) im zweiten Zustand und Elastomerelement wirken sich somit direkt auf die die minimale Kriechstrecke zwischen den die Membran-Elektroden-Anordnung einschließenden Bipolarplatten aus. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Elastomerelement im Verhältnis zum Volumen der Aussparung (Nut) im zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels ein solches Volumen auf, dass der über beide Plattenränder überstehende Umfang des Elastomerelements einer, hinsichtlich der im Betrieb des Brennstoffzellenstapels zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten maximal abfallenden Spannung, ausreichenden Kriechstrecke entspricht. The elastomeric element has a greater extent in a stacking direction than the remaining membrane-electrode unit, preferably as the remaining membrane-electrode arrangement. This has an advantageous effect on the minimal creepage distance formed in the second state of the fuel cell stack between two adjacent bipolar plates. Particularly preferably, the elastomer element has a larger volume than the recess or groove. In the second state of the fuel cell stack is then a partial volume of the elastomeric element from the recess (groove), and since the recess (groove) is closed in the direction away from the plate edges direction, displaced beyond the plate edges. The ratio of the volumes of recess (groove) in the second state and elastomer element thus have a direct effect on the minimum creepage distance between the bipolar plates enclosing the membrane-electrode assembly. In a particularly preferred embodiment, the elastomer element in relation to the volume of the recess (groove) in the second state of the fuel cell stack on such a volume that the projecting beyond both plate edges circumference of the elastomeric element of a maximum in terms of operating the fuel cell stack between two adjacent bipolar plates Tension, sufficient creepage distance corresponds.

Ebenfalls bevorzugt weist das Elastomerelement zumindest einen längserstreckten Abschnitt auf, der einen Winkel kleiner 90°, das heißt einen Winkel zwischen 0° und 90°, mit der Stapelrichtung einschließt. Dabei ist der Winkel zwischen der Stapelrichtung und einem Richtungsvektor eingeschlossen, der in Richtung der maximalen Ausdehnung des längserstreckten Elements zeigt. Dabei ist im ersten Zustand des Brennstoffzellenstapels eine Projektion dieses Richtungsvektors auf eine Ebene senkrecht zur Stapelrichtung stets in Richtung des Plattenrandes gerichtet. Beispielsweise kann das Elastomerelement einen im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung ausgerichteten ersten Abschnitt und einen mit einem Winkel von 45° zur Stapelrichtung ausgerichteten zweiten längserstreckten Abschnitt aufweisen. Ebenfalls bevorzugt schließen der erste längserstreckte Abschnitt und der zweite längserstreckte Abschnitt jeweils einen Winkel von 45° mit einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung ein. Das Elastomerelement ist dann im Wesentlichen schwalbenschwanzförmig ausgebildet. In dieser Ausführungsform weist zumindest eine der beidseitig an einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Bipolarplatten in einem über dem Elastomerelement angeordneten Bereich besonders bevorzugt eine Fase auf. Also preferably, the elastomeric element has at least one longitudinally extending portion which encloses an angle of less than 90 °, that is an angle between 0 ° and 90 °, with the stacking direction. In this case, the angle between the stacking direction and a direction vector is included, which points in the direction of the maximum extent of the elongate element. In the first state of the fuel cell stack, a projection of this directional vector onto a plane perpendicular to the stacking direction is always directed in the direction of the plate edge. For example, the elastomer element may have a first section aligned substantially parallel to the stacking direction and a second longitudinal section aligned at an angle of 45 ° to the stacking direction. Also preferably, the first elongated portion and the second elongate portion each include an angle of 45 ° with a direction perpendicular to the stacking direction. The elastomeric element is then substantially dovetail-shaped. In this embodiment, at least one of the bipolar plates arranged on both sides of a membrane-electrode arrangement in a region arranged above the elastomer element particularly preferably has a chamfer.

Vorteilhaft erfolgt das Umformen eines Elastomerelements mit derartigen längserstreckten Elementen nur zum Teil durch Verdrängen eines Teilvolumens des Elastomerelements aus einer Aussparung, wie oben beschrieben. Darüber hinaus erfolgt ein Schwenken eines längserstreckten Abschnitts beim Kontakt mit einer Bipolarplatte. Vorteilhaft wird ein solcher längserstreckter Abschnitt so geschwenkt, dass er sich in eine Richtung senkrecht zur Stapelrichtung orientiert und über beide Plattenränder übersteht. Dabei ist die zum Überführen des Brennstoffzellenstapels vom ersten in den zweiten Zustand notwendige Presskraft gering. Durch eine Fase, an der ein längserstreckter Abschnitt beim Verpressen des Brennstoffzellenstapels abgleiten kann, wird die Presskraft weiter reduziert. Advantageously, the forming of an elastomeric element with such elongate elements takes place only in part by displacing a partial volume of the elastomeric element from a recess, as described above. In addition, a pivoting of an elongated portion takes place upon contact with a bipolar plate. Advantageously, such an elongate section is pivoted so that it is oriented in a direction perpendicular to the stacking direction and projects beyond both plate edges. In this case, the necessary for transferring the fuel cell stack from the first to the second state pressing force is low. By a chamfer on which an elongated section can slide off during compression of the fuel cell stack, the pressing force is further reduced.

Das erfindungsgemäße Elastomerelement kann sich entlang des gesamten Umfangs eines Kantenbereichs einer Membran-Elektroden-Anordnung oder nur abschnittsweise entlang eines solchen Kantenbereichs erstrecken. Dabei kann es sich um außenliegende, periphere Kantenbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung und um innenliegende Kantenbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, beispielsweise um Versorgungsöffnungen herum, handeln. Somit kann das Elastomerelement mit dem gesamten Umfang der Plattenkanten der Bipolarplatten oder nur mit Abschnitten von diesen korrespondieren. The elastomer element according to the invention can extend along the entire circumference of an edge region of a membrane-electrode assembly or only in sections along such an edge region. These may be outer, peripheral edge regions of the membrane-electrode assembly and inner edge regions of the membrane-electrode assembly, for example around supply openings. Thus, the elastomeric element with the entire circumference of the plate edges of the Bipolar plates or only with sections of these correspond.

Besonders bevorzugt sind die Plattenränder der Bipolarplatten zumindest abschnittsweise als Zentrierbereich ausgebildet. Ist der Zentrierbereich an einem peripheren, das heißt außenliegenden, Plattenrand angeordnet, wird zum Zentrieren ein Zentrierelement an einen Zentrierabschnitt angelegt oder die zu stapelnden Komponenten werden an entsprechende Zentrierelemente eines Stapelwerkzeugs angelegt. Ist der Zentrierbereich alternativ als Zentrieröffnung in der Fläche der Bipolarplatten angeordnet, wird zum Zentrieren ein Zentrierelement durch diese durchgeführt. Die Zentrierbereiche sind ebenfalls bevorzugt nur abschnittsweise entlang eines äußeren Umfangs oder an innenliegende Randbereiche der Bipolarplatten angeordnet. Particularly preferably, the plate edges of the bipolar plates are at least partially formed as a centering. If the centering area is arranged on a peripheral, that is to say external, plate edge, a centering element is applied to a centering section for centering or the components to be stacked are applied to corresponding centering elements of a stacking tool. If the centering area is alternatively arranged as a centering opening in the surface of the bipolar plates, a centering element is performed by this centering. The centering regions are likewise preferably arranged only in sections along an outer circumference or on inner edge regions of the bipolar plates.

Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Elastomerelemente in Abschnitten des Kantenbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, die mit den Zentrierbereichen der Bipolarplatten korrespondieren. Korrespondierende Bereiche sind dabei bevorzugt in Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet, das heißt eine Flächennormale der Bipolarplatten schneidet alle korrespondierenden Bereiche. Zumindest in diesen Zentrierbereichen stehen die Elastomerelemente in dem ersten Zustand des Brennstoffzellenstapels nicht über die Plattenränder über, um das Zentrieren des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten. Sind die Elastomerelemente ausschließlich in Bereichen des Kantenbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, die mit den Zentrierbereichen der Bipolarplatten korrespondieren, wird vorteilhaft Elastomermaterial eingespart. Bevorzugt weist die Membran-Elektroden-Anordnung außerhalb der mit den Zentrierbereichen korrespondierenden Bereiche ein Isolierelement auf, das auch im ersten Zustand des Brennstoffzellenstapels über die Plattenränder übersteht. Besonders bevorzugt weist dieses Isolierelement in Stapelrichtung im Wesentlichen die gleiche Dicke auf, wie die restliche Membran-Elektroden-Anordnung. Somit müssen beim Verpressen ausschließlich die mit den Zentrierbereichen korrespondierenden Elastomerelemente verformt werden. Die zum Verpressen des Brennstoffzellenstapels notwendige Kraft ist dann vorteilhaft reduziert Particularly preferably, the elastomer elements according to the invention are arranged in sections of the edge region of the membrane-electrode assembly, which correspond to the centering regions of the bipolar plates. Corresponding regions are preferably arranged consecutively in the stacking direction, that is to say a surface normal of the bipolar plates intersects all corresponding regions. At least in these centering regions, the elastomer elements in the first state of the fuel cell stack do not overflow over the plate edges in order to ensure centering of the fuel cell stack. If the elastomer elements are arranged exclusively in regions of the edge region of the membrane-electrode arrangement which correspond to the centering regions of the bipolar plates, elastomer material is advantageously saved. Preferably, the membrane-electrode arrangement outside of the areas corresponding to the centering regions on an insulating, which protrudes beyond the plate edges in the first state of the fuel cell stack. Particularly preferably, this insulating element has substantially the same thickness in the stacking direction as the remaining membrane-electrode arrangement. Thus, only the corresponding with the centering elastomeric elements must be deformed during compression. The force required to compress the fuel cell stack is then advantageously reduced

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung ferner eine Polymerelektrolytmembran mit einer der ersten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten ersten Oberfläche und einer der zweiten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten zweiten Oberfläche auf. Eine Mittellage der Membran-Elektroden-Anordnung ist somit zumindest abschnittsweise durch diese Polymerelektrolytmembran gebildet. Bevorzugt ist ein katalytisches Anodenmaterial außerhalb des ersten Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung über der ersten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet und ist ein katalytisches Kathodenmaterial außerhalb des zweiten Randbereichs über der zweiten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet. Folglich befinden sich chemisch aktive Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, welche im Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien beaufschlagt werden, nicht in den Randbereichen. Besonders bevorzugt ist Elektrodenmaterial in einem chemisch aktiven Bereich beidseitig der Polymerelektrolytmembran aufgebracht. In a preferred embodiment, the membrane electrode assembly further comprises a polymer electrolyte membrane having a first surface facing the first major surface of the membrane electrode assembly and a second surface facing the second major surface of the membrane electrode assembly. A middle layer of the membrane electrode assembly is thus formed at least in sections by this polymer electrolyte membrane. Preferably, an anode catalytic material is disposed outside the first edge region of the membrane-electrode assembly over the first surface of the polymer electrolyte membrane, and a catalytic cathode material is disposed outside the second edge region above the second surface of the polymer electrolyte membrane. Consequently, chemically active regions of the membrane-electrode assembly, which are acted upon in the operation of the fuel cell stack with operating media, not in the edge regions. Particularly preferably, electrode material is applied in a chemically active region on both sides of the polymer electrolyte membrane.

Bevorzugt weist die Membran-Elektroden-Anordnung zumindest eine Öffnung zum Durchführen beziehungsweise Durchleiten von Betriebsmedien auf, durch die der Brennstoffzellenstapel kompakt und platzsparend mit den Betriebsmedien versorgt werden kann. Die Betriebsmedien umfassen Reaktanten, also Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff oder Luft) sowie Kühlmedien, insbesondere Kühlflüssigkeit. Ferner können Reaktionsprodukte (zum Beispiel Wasser) über die Kanäle der Membran-Elektroden-Anordnung abgeführt werden. The membrane-electrode arrangement preferably has at least one opening for the passage or passage of operating media, by means of which the fuel cell stack can be supplied with the operating media in a compact and space-saving manner. The operating media include reactants, ie fuel (for example hydrogen) and oxidants (for example oxygen or air) and cooling media, in particular cooling fluid. Furthermore, reaction products (for example water) can be removed via the channels of the membrane-electrode assembly.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die chemisch aktiven Bereiche und die zumindest eine Öffnung auf beiden Hauptoberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend von Dichtungen umschlossen, die in einer Richtung parallel zur jeweiligen Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung vorstehen. Die Dichtungen hindern Reaktanten und Reaktionsprodukte daran, unkontrolliert aus dem Brennstoffzellenstapel auszutreten. Bevorzugt dichtet eine äußerste periphere Dichtung die Randbereiche der Hauptoberflächen von den restlichen Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung ab. In a particularly preferred embodiment, the chemically active regions and the at least one opening on both main surfaces of the membrane-electrode assembly are surrounded circumferentially by seals which project in a direction parallel to the respective surface normal of the membrane-electrode assembly. The seals prevent reactants and reaction products from leaking out of the fuel cell stack in an uncontrolled manner. Preferably, an outermost peripheral seal seals the edge areas of the main surfaces from the remaining surfaces of the membrane-electrode assembly.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung zumindest im Wesentlichen innerhalb des von der Dichtung umlaufend umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet. Durch diese Ausgestaltung beschränkt sich eine Ausdehnung der Elektroden zumindest im Wesentlichen auf den chemisch aktiven Bereich, wodurch Material und Kosten gespart werden. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Fläche der Elektroden außerhalb des chemisch aktiven Bereichs bevorzugt kleiner 30%, ferner bevorzugt kleiner 15% einer Fläche der Elektroden innerhalb des chemisch aktiven Bereichs entspricht. Insbesondere sind die Elektroden vollständig von der Dichtung ringsum umschlossen, das heißt, außerhalb der Dichtung liegen keine Elektroden vor. According to a preferred embodiment of the invention, the electrodes of the membrane electrode assembly are arranged at least substantially within the chemically active region circumferentially surrounded by the seal. As a result of this refinement, an expansion of the electrodes is limited at least essentially to the chemically active region, which saves material and costs. Essentially in this context means that an area of the electrodes outside the chemically active area preferably corresponds to less than 30%, furthermore preferably less than 15%, of an area of the electrodes within the chemically active area. In particular, the electrodes are completely enclosed by the seal all around, that is, there are no electrodes outside the seal.

Vorzugsweise umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung Gasdiffusionslagen, welche innerhalb des von der Dichtung ringsum umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet sind. Nach dieser Ausgestaltung liegen somit auf dem Randbereich außerhalb der Dichtung keine Gasdiffusionslagen vor. Durch diese Ausgestaltung beschränken sich die Gasdiffusionslagen auf den chemisch aktiven Bereich innerhalb der Dichtung, wodurch Kosten gespart werden können, da die Dichtung außerhalb der vergleichsweise starkwandigen Gasdiffusionslagen angeordnet ist. Preferably, the membrane-electrode assembly comprises gas diffusion layers disposed within the chemically active region surrounded by the gasket. According to this embodiment, therefore, there are no gas diffusion layers on the edge region outside the seal. With this configuration, the gas diffusion layers are limited to the chemically active region within the seal, whereby costs can be saved, since the seal is arranged outside the comparatively thick-walled gas diffusion layers.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung eine innerhalb des ersten Randbereichs und über der ersten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete erste Randverstärkung und eine innerhalb des zweiten Randbereichs und über der zweiten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete zweite Randverstärkung auf. Die Randverstärkung kann zum Beispiel eine auflaminierte Trägerfolie aus Kunststoff sein. Somit umfasst ein Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung als Ganzes die Membran und beidseitig darauf aufgebrachte Randverstärkungen. In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich das Laminat, bestehend aus Polymerelektrolytmembran und darauf beidseitig aufgebrachtem Elektrodenmaterial, über die gesamte flächige Ausdehnung der Membran-Elektroden-Anordnung. Dann weist die Membran-Elektroden-Anordnung auch innerhalb des ersten Randbereichs ein über der ersten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnetes katalytisches Anodenmaterial und auch innerhalb des zweiten Randbereichs ein über der zweiten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnetes katalytisches Kathodenmaterial auf. In a particularly preferred embodiment, the membrane electrode assembly has a first edge reinforcement disposed within the first edge region and over the first surface of the polymer electrolyte membrane and a second edge reinforcement disposed within the second edge region and over the second surface of the polymer electrolyte membrane. The edge reinforcement may be, for example, a laminated plastic carrier film. Thus, an edge region of the membrane-electrode assembly as a whole comprises the membrane and edge reinforcements applied thereto on both sides. In an alternative embodiment, the laminate, consisting of polymer electrolyte membrane and electrode material applied thereto on both sides, extends over the entire areal extent of the membrane-electrode arrangement. Then, the membrane electrode assembly also has, within the first edge region, a catalytic anode material arranged above the first surface of the polymer electrolyte membrane and also, within the second edge region, a catalytic cathode material arranged above the second surface of the polymer electrolyte membrane.

Erstreckt sich ein solches Laminat bis in die Randbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, ist das Elastomerelement mit den Randbereichen von deren Hauptoberflächen verbunden, indem es an diese angeformt ist. Das Anformen erfolgt bevorzugt durch Anspritzen und Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung. Ebenfalls bevorzugt erfolgt das Anformen kraft- und/oder formschlüssig, beispielsweise durch Aufschieben einer geschlitzten Elastomerwulst auf eine Laminatkante. Ebenfalls bevorzugt werden dabei zusätzliche Haftvermittler eingesetzt. Im Ergebnis umschließt ein Elastomerelement den Kantenbereich eines Laminats der Membran-Elektroden-Anordnung. Dies ermöglicht vorteilhaft das Nachrüsten eines Elastomerelements an bereits produzierten Membran-Elektroden-Anordnungen. Das Elastomerelement rahmt dabei den gesamten Umfang der Membran-Elektroden-Anordnung oder ist nur abschnittsweise, beispielweise in Zentrierbereichen, entlang des Umfangs der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. If such a laminate extends as far as the edge regions of the membrane-electrode assembly, the elastomer element is connected to the edge regions of its main surfaces by being integrally formed thereon. The molding is preferably carried out by injection molding and producing a cohesive connection. Also preferably, the molding takes place non-positively and / or positively, for example by pushing a slotted Elastomerwulst on a laminate edge. Likewise preferably, additional adhesion promoters are used. As a result, an elastomeric member encloses the edge portion of a laminate of the membrane-electrode assembly. This advantageously makes it possible to retrofit an elastomer element to already produced membrane electrode assemblies. The elastomer element frames the entire circumference of the membrane-electrode arrangement or is arranged only in sections, for example in centering regions, along the circumference of the membrane-electrode arrangement.

In einer ebenfalls bevorzugten alternativen Ausführungsform ist die Membran-Elektroden-Anordnung in dem von dem ersten Randbereich und dem zweiten Randbereich begrenzten Volumen durch ein Elastomermaterial gebildet. Mit anderen Worten liegt der Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung im Ganzen nicht als Laminat sondern als Elastomerschicht vor. Ein Elastomer ist dabei seitlich an ein, beispielsweise in einem chemisch aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung vorliegendes, Laminat angeformt. In dieser Ausführungsform ist das Elastomerelement mit den Hauptoberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden, indem es in diese übergeht. Ferner bildet das Elastomerelement in dieser Ausgestaltung den Kantenbereich der Membran-Elektroden-Anordnung. In dieser Ausgestaltung sind in den Randbereichen vorteilhaft weite Teile des Laminats durch günstiges Elastomermaterial ersetzt. Ferner ist eine Delamination von Elastomerelement und Randbereich ausgeschlossen. In a likewise preferred alternative embodiment, the membrane-electrode arrangement in the volume defined by the first edge region and the second edge region is formed by an elastomer material. In other words, the edge region of the membrane electrode assembly as a whole does not exist as a laminate but as an elastomer layer. An elastomer is formed laterally on a, for example, in a chemically active region of the membrane-electrode assembly present, laminate. In this embodiment, the elastomeric element is bonded to the major surfaces of the membrane-electrode assembly by transitioning into it. Furthermore, the elastomer element in this embodiment forms the edge region of the membrane-electrode assembly. In this embodiment, advantageously advantageous parts of the laminate are replaced by favorable elastomeric material in the edge regions. Furthermore, a delamination of elastomer element and edge region is excluded.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels für ein Brennstoffzellensystem. Dabei werden zunächst n – 1 Bipolarplatten bereitgestellt, die jeweils eine erste Plattenoberfläche, eine der ersten Plattenoberfläche gegenüberliegende zweite Plattenoberfläche und einen die Plattenoberflächen verbindenden Plattenrand aufweisen. Zudem werden 2 Unipolarplatten zum endseitigen Abschließen des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Zudem werden n Membran-Elektroden-Anordnungen bereitgestellt, die jeweils eine erste Hauptoberfläche mit einem ersten Randbereich, eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche mit einem zweiten Randbereich und bevorzugt einen den ersten Randbereich und den zweiten Randbereich verbindenden Kantenbereich aufweisen. Die Membran-Elektroden-Anordnungen weisen zudem zumindest ein mit dem ersten Randbereich und dem zweiten Randbereich verbundenes Elastomerelement, wie vorstehend beschrieben, auf. Jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung wird zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordnet, sodass das zumindest eine Elastomerelement dieser Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Plattenoberflächen der begrenzenden Bipolarplatten angeordnet ist und über keinen Plattenrand übersteht. Likewise provided by the invention is a method for producing a fuel cell stack for a fuel cell system. Initially, n-1 bipolar plates are provided, each having a first plate surface, a second plate surface opposite the first plate surface, and a plate edge connecting the plate surfaces. In addition, two unipolar plates are provided for terminating the fuel cell stack at the end. In addition, n membrane-electrode arrangements are provided which each have a first main surface with a first edge region, a second main surface opposite the first main surface with a second edge region and preferably an edge region connecting the first edge region and the second edge region. The membrane electrode assemblies also have at least one elastomer element connected to the first edge region and the second edge region, as described above. In each case a membrane electrode assembly is arranged between each two bipolar plates, so that the at least one elastomer element of this membrane electrode assembly is disposed between two plate surfaces of the limiting bipolar plates and does not project beyond a plate edge.

Mittels Anlegen zumindest eines Zentrierelements an einen Zentrierbereich, insbesondere an einen Zentrierabschnitt, und/oder mittels Durchführen eines Zentrierelements durch einen Zentrierbereich, insbesondere eine Zentrieröffnung, werden die Bipolarplatten zueinander ausgerichtet. Somit wird eine bündige Anordnung der Bipolarplatten erreicht und der Brennstoffzellenstapel zentriert. Durch Aufbringen einer bestimmten Druck- oder Zugkraft wird der zentrierte Brennstoffzellenstapel in einer Richtung parallel zu einer Flächennormalen der Bipolarplatten verpresst. Das Verpressen erfolgt derart, dass das zumindest eine jeweils zwischen zwei Plattenoberflächen angeordnete Elastomerelement über beide Plattenränder übersteht. Somit wird im verpressten Zustand des Brennstoffzellenstapels die elektrische Isolierung zwischen benachbarten Bipolarplatten verbessert. By applying at least one centering element to a centering area, in particular to a centering section, and / or by passing a centering element through a centering area, in particular a centering opening, the bipolar plates are aligned with each other. Thus, a flush arrangement of the bipolar plates is achieved and centered the fuel cell stack. By applying a certain compressive or tensile force is the centered fuel cell stack compressed in a direction parallel to a surface normal of the bipolar plates. The pressing takes place in such a way that the at least one elastomer element arranged in each case between two plate surfaces projects beyond both plate edges. Thus, in the compressed state of the fuel cell stack, the electrical insulation between adjacent bipolar plates is improved.

In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zentrierelement oder werden die Zentrierelemente vor dem Verpressen des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung von oder aus dem Zentrierbereich entfernt. Dies soll es dem Elastomerelement ermöglichen, eine durch das Zentrierelement erfahrene Verformung rückgängig zu machen, das heißt durch elastische Verformung die vor dem Anlegen oder Durchführen des Zentrierelements innegehabte Form wieder anzunehmen. In einer besonders bevorzugten Durchführungsform kann hierzu vor dem eigentlichen Verpressen des Brennstoffzellenstapels ein Vorpressen des Brennstoffzellenstapels erfolgen, wobei das Vorpressen mit einer geringeren Presskraft als das eigentliche Verpressen des Brennstoffzellenstapels erfolgt. Ebenfalls bevorzugt wird das Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels nach dem Entfernen des oder der Zentrierelement(e) für einen vorbestimmten Zeitraum Dt1 pausiert. Auch dieses Pausieren soll vorteilhaft das Entformen einer durch das Zentrierelement am Elastomerelement bewirkten Verformung ermöglichen. Durch dieses Entformen werden vorteilhaft Blockaden des Elastomerelements im Brennstoffzellenstapel verringert, das Vorstehen des Elastomerelements über beide Plattenränder des Brennstoffzellenstapels nach dem Verpressen verbessert. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the centering element or the centering elements are removed from the centering region before the compression of the fuel cell stack in the stacking direction. This is to allow the elastomeric element to undo a deformation experienced by the centering element, that is, by elastic deformation to assume the form retained before the application or passage of the centering element. In a particularly preferred embodiment, this can be done before the actual compression of the fuel cell stack, a pre-pressing of the fuel cell stack, wherein the pre-pressing is done with a lower pressing force than the actual compression of the fuel cell stack. Also preferably, the method for producing a fuel cell stack is paused after removing the centering element (s) for a predetermined period of time Dt1. This pausing should also advantageously enable the removal of a deformation caused by the centering element on the elastomer element. This demolding advantageously reduces blockages of the elastomer element in the fuel cell stack, which improves the projection of the elastomer element over both plate edges of the fuel cell stack after compression.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, wie vorstehend beschrieben. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem. Likewise provided by the invention is a fuel cell system with a fuel cell stack, as described above. Likewise provided by the invention is a vehicle comprising a fuel cell system.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 einen Brennstoffzellenstapel in einer bevorzugten Ausgestaltung, 1 a fuel cell stack in a preferred embodiment,

2(A) eine Membran-Elektroden-Anordnung in einer bevorzugten Ausgestaltung, (B) eine Detaildarstellung einer Ausführungsform dieser Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den Zentrierbereichen zweier Bipolarplatten und (C) eine Detaildarstellung einer weiteren Ausführungsform dieser Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den Zentrierbereichen zweier Bipolarplatten, 2 (A) a membrane-electrode arrangement in a preferred embodiment, (B) a detailed representation of an embodiment of this membrane-electrode arrangement between the centering regions of two bipolar plates, and (C) a detailed representation of a further embodiment of this membrane-electrode arrangement between the centering regions of two bipolar plates,

3 eine Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten, unverpressten Zustand (A) und einem zweiten, verpressten Zustand (B), 3 an embodiment of the fuel cell stack according to a first embodiment of the invention in a first, unpressed state (A) and a second, compressed state (B),

4 einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten, unverpressten Zustand (A) und einem zweiten, verpressten Zustand (B), 4 4 a section of a fuel cell stack according to a second embodiment of the invention in a first, unpressed state (A) and a second, compressed state (B),

5 einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten, unverpressten Zustand (A) und einem zweiten, verpressten Zustand (B). 5 a section of a fuel cell stack according to a third embodiment of the invention in a first, unpressed state (A) and a second, compressed state (B).

Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann grundsätzlich einen Aufbau gemäß 1 aufweisen. On 1 has already been discussed to explain the state of the art. The fuel cell according to the invention can basically have a structure according to 1 exhibit.

2(A) zeigt eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung 28 in einer bevorzugten Ausgestaltung. Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 12 kann grundsätzlich einen Aufbau gemäß 2(A) aufweisen. 2 (A) shows a plan view of a membrane-electrode assembly 28 in a preferred embodiment. The membrane electrode assembly 28 the fuel cell stack according to the invention 12 can basically have a structure according to 2 (A) exhibit.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 gemäß 2(A) umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit 20 (MEA) und eine Dichtung 30. Die Membran-Elektroden-Einheit 20 weist typischerweise einen chemisch aktiven Bereich 32 auf und kann ferner auch Öffnungen 34 zur Durchführung von Betriebsmedien aufweisen. Der chemisch aktive Bereich 32 und eine der Öffnungen 34 zur Durchführung von Betriebsmedien können, wie gezeigt, von der Dichtung 30 gemeinsam umlaufend umschlossen und durch diese einfach voneinander getrennt sein. The membrane electrode assembly 28 according to 2 (A) includes a membrane-electrode assembly 20 (MEA) and a seal 30 , The membrane-electrode unit 20 typically has a chemically active region 32 on and also can also openings 34 to carry out operating media. The chemically active area 32 and one of the openings 34 for carrying operating fluids can, as shown, from the seal 30 encircled together and easily separated from each other.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 weist eine erste Hauptoberfläche 36 und eine gegenüberliegende, in 2(A) nicht sichtbare, zweite Hauptoberfläche 38 auf. Die erste Hauptoberfläche 36 weist einen ersten Randbereich 40 auf, der an den peripher äußeren Dichtungsrand 30 anschließt und den peripher äußersten Abschnitt der ersten Hauptoberfläche 36 der Membran-Elektroden-Anordnung 20 bildet. Ein entsprechender, in 2(A) nicht sichtbarer, zweiter Randbereich 42 ist auf der zweiten Hauptoberfläche 38 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 angeordnet. Der erste Randbereich 40 und der zweite Randbereich 42 sind über den Kantenbereich 44 miteinander verbunden, das heißt, dass der erste Randbereich 40 über den Kantenbereich 44 in den zweiten Randbereich übergeht. Der Kantenbereich 44 weist dabei vier Zentrierabschnitte 63 zum Anlegen eines Zentrierwerkzeugs auf. Zudem sind zwei Zentrieröffnungen 63 in der Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung 28 angedeutet. Innerhalb der Zentrieröffnungen 63 weist die Membran-Elektroden-Anordnung 28 ebenfalls in 2(A) nicht dargestellte Randbereiche und einen Kantenbereich auf. The membrane electrode assembly 28 has a first main surface 36 and one opposite, in 2 (A) invisible, second main surface 38 on. The first main surface 36 has a first border area 40 on, to the peripheral outer sealing edge 30 connects and the peripherally outermost portion of the first main surface 36 the membrane-electrode assembly 20 forms. A corresponding, in 2 (A) not visible, second border area 42 is on the second main surface 38 the membrane-electrode assembly 28 arranged. The first edge area 40 and the second edge area 42 are over the edge area 44 connected to each other, that is, the first edge area 40 over the edge area 44 goes into the second border area. The edge area 44 has four centering sections 63 for creating a centering tool. There are also two centering holes 63 in the area of the membrane-electrode assembly 28 indicated. Inside the centering holes 63 has the membrane electrode assembly 28 also in 2 (A) not shown edge regions and an edge region.

Nachfolgend werden anhand von 3 weitere Details zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 12 mit der in 2 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 28 erläutert. 3 zeigt dazu einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 12 in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der in 2(A) gezeigten Schnittlinie A-A. The following are based on 3 Further details on the structure of a fuel cell stack 12 with the in 2 shown membrane electrode assembly 28 explained. 3 shows a section of a fuel cell stack according to the invention 12 in a schematic sectional view along in 2 (A) shown section line AA.

In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 12 ist eine Membran-Elektroden-Anordnung 28 jeweils zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnet. Die Bipolarplatten 26 weisen eine erste Plattenoberfläche 46 und eine gegenüberliegende zweite Plattenoberfläche 48 auf. Die ersten Plattenoberflächen 46 gehen jeweils über Plattenkanten 50 in zweite Plattenoberflächen 48 über. In the fuel cell stack according to the invention 12 is a membrane electrode assembly 28 each between two bipolar plates 26 arranged. The bipolar plates 26 have a first plate surface 46 and an opposite second plate surface 48 on. The first plate surfaces 46 go over each plate edges 50 in second plate surfaces 48 above.

Eine Membran-Elektroden-Anordnung 28 ist zwischen einer ersten Plattenoberfläche 46 einer zweiten Bipolarplatte 26 und einer zweiten Plattenoberfläche 48 einer ersten Bipolarplatte 26 angeordnet. Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 20 auf, die durch ein Laminat aus einer Polymerelektrolytmembran mit beidseitig darauf aufgetragenen Schichten gebildet ist. In einem chemisch aktiven Bereich 32 sind diese Schichten katalytisch aktive Elektroden. In dem ersten Randbereich 40 und dem zweiten Randbereich 42 sind die aufgetragenen Schichten ebenfalls als Elektrodenbeschichtung oder als eine Randverstärkung ausgebildet. In 3 ist lediglich ein Randbereich 40, 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 gezeigt, der im gesamten gezeigten Abschnitt durch eine Polymerelektrolytfolie (nicht dargestellt) und beidseitig darauf angeordneten Randverstärkungen (nicht dargestellt) gebildet ist. Der erste Randbereich 40 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 geht über einen Kantenbereich 44 in deren zweiten Randbereich 42 über. A membrane electrode assembly 28 is between a first plate surface 46 a second bipolar plate 26 and a second plate surface 48 a first bipolar plate 26 arranged. The membrane electrode assembly 28 has a membrane-electrode unit 20 formed by a laminate of a polymer electrolyte membrane having layers coated thereon on both sides. In a chemically active area 32 these layers are catalytically active electrodes. In the first border area 40 and the second edge area 42 The coated layers are also formed as an electrode coating or as a border reinforcement. In 3 is just a border area 40 . 42 the membrane-electrode assembly 28 which is formed throughout the portion shown by a polymer electrolyte film (not shown) and edge reinforcements (not shown) disposed on both sides thereof. The first edge area 40 the membrane-electrode assembly 28 goes over an edge area 44 in the second border area 42 above.

Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 weist an ihrem peripher äußeren Rand ein dielektrisches Elastomerelement 52 auf, das mit dem ersten Randbereich 40 und dem zweiten Randbereich 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 verbunden ist und deren Kantenbereich 44 umschließt. Das dielektrische Elastomerelement 52 ist dabei als eine wulstartige Verdickung gebildet, deren Ausdehnung in Stapelrichtung, das heißt in Richtung einer Flächennormalen der Bipolarplatten 26, größer ist als die Ausdehnung der Membran-Elektroden-Anordnung 28 in derselben Richtung. The membrane electrode assembly 28 has at its peripheral outer edge a dielectric elastomeric element 52 on that with the first edge area 40 and the second edge area 42 the membrane-electrode assembly 28 is connected and their edge area 44 encloses. The dielectric elastomer element 52 is formed as a bead-like thickening, whose extension in the stacking direction, that is in the direction of a surface normal of the bipolar plates 26 , greater than the extension of the membrane-electrode assembly 28 in the same direction.

In der 3(A) ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 12 in einem ersten, unverpressten Zustand dargestellt. Die Ausdehnung des dielektrischen Elastomerelements 52 in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung entspricht dabei der Breite von beidseitig über dem Elastomerelement 52 angeordneten Vertiefungen 56 zur Aufnahme der Elastomerelements 52. Die Plattenoberflächen 46, 48 der Bipolarplatten 26 liegen nicht an den Hauptoberflächen 36, 38 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 an. Das Elastomerelement 52 liegt in einem unverpressten Zustand mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt vor und steht über keine der Plattenränder 50 über. Das heißt, eine Gerade, welche beide Plattenränder 50 der die Membran-Elektroden-Anordnung 28 umgebenden Bipolarplatten 26 tangiert, schneidet einen Querschnitt des Elastomerelements 52 nicht. Somit kann ein Zentrierelement unbehindert an die Plattenränder 50 angelegt werden, ohne mit dem Elastomerelement 52 zu interagieren. Dies ermöglicht eine exakte Zentrierung des Brennstoffzellenstapels 12. In the 3 (A) is the fuel cell stack according to the invention 12 shown in a first, unpressed state. The extension of the dielectric elastomer element 52 in a direction perpendicular to the stacking direction corresponds to the width of both sides over the elastomeric element 52 arranged depressions 56 for receiving the elastomeric element 52 , The plate surfaces 46 . 48 the bipolar plates 26 do not lie on the main surfaces 36 . 38 the membrane-electrode assembly 28 at. The elastomer element 52 is in an unpressed state with a substantially circular cross-section and is not on any of the plate edges 50 above. That is, a straight line, which both plate edges 50 the membrane electrode assembly 28 surrounding bipolar plates 26 tangent cuts a cross-section of the elastomeric element 52 Not. Thus, a centering element unhindered to the plate edges 50 be applied without the elastomeric element 52 to interact. This allows an exact centering of the fuel cell stack 12 ,

In der 3(B) ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 12 in einem zweiten, verpressten Zustand gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 12 wurde durch Verpressen entlang der in 3(A) gezeigten Richtungen 54, das heißt parallel zu einer Flächennormalen des Brennstoffzellenstapels 12 von dem ersten in den zweiten Zustand überführt. Das Verpressen erfolgte, indem mittels der Zugelemente 18 eine Zugkraft auf die Endplatten 16 übertragen wurde. In dem zweiten Zustand liegen die Plattenoberflächen 46, 48 der Bipolarplatten 26 an den Hauptoberflächen 36, 38 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 an. Ferner bilden die beidseitig über dem Elastomerelement 52 angeordneten Vertiefungen 56 der Bipolarplatte 26 mit reduzierter Dicke eine Aussparung 58, in welche die Membran-Elektroden-Anordnung 28 vorsteht. Das Volumen des Elastomerelements 52 ist größer als das Volumen der Aussparung 58, insbesondere ist die Ausbreitung der Aussparung 58 in Stapelrichtung geringer, als die Ausdehnung des unverpressten Elastomerelements 52 in derselben Richtung. Das Elastomerelement 52 ist daher in dem zweiten, verpressten Zustand elliptisch verformt, wodurch insbesondere seine Ausbreitung in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung gegenüber dem ersten Zustand vergrößert ist. Die Aussparung 58 ist nur in Richtung des Außenumfangs des Brennstoffzellenstapels 12 geöffnet, sodass sich das Elastomerelement 52 in diese Richtung hin verformt. Das verformte Elastomerelement 52 steht über beide Plattenränder 50 des verpressten Brennstoffzellenstapels 12 über. Das heißt, eine Gerade, welche beide Plattenränder 50 der die Membran-Elektroden-Anordnung 28 umgebenden Bipolarplatten 26 tangiert, schneidet einen Querschnitt des Elastomerelements 52. Die Umfangslinie des über die Plattenränder 50 überstehenden Abschnitts des Elastomerelements 52 bildet dabei eine Kriechstrecke, die während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 zur elektrischen Isolation der benachbarten Bipolarplatten 26 ausreichend ist. In the 3 (B) is the fuel cell stack according to the invention 12 shown in a second, compressed state. The fuel cell stack 12 was made by pressing along in 3 (A) shown directions 54 that is, parallel to a surface normal of the fuel cell stack 12 transferred from the first to the second state. The pressing was done by means of the tension elements 18 a tensile force on the end plates 16 was transferred. In the second state are the plate surfaces 46 . 48 the bipolar plates 26 on the main surfaces 36 . 38 the membrane-electrode assembly 28 at. Furthermore, they form on both sides over the elastomer element 52 arranged depressions 56 the bipolar plate 26 with a reduced thickness a recess 58 into which the membrane electrode assembly 28 protrudes. The volume of the elastomer element 52 is greater than the volume of the recess 58 , in particular, the propagation of the recess 58 lower in the stacking direction than the extension of the unpressed elastomeric element 52 in the same direction. The elastomer element 52 is therefore elliptically deformed in the second, compressed state, whereby, in particular, its propagation in a direction perpendicular to the stacking direction relative to the first state is increased. The recess 58 is only in the direction of the outer periphery of the fuel cell stack 12 opened so that the elastomer element 52 deformed in this direction. The deformed elastomer element 52 stands above both plate edges 50 of the compressed fuel cell stack 12 above. That is, a straight line, which both plate edges 50 the membrane electrode assembly 28 surrounding bipolar plates 26 tangent cuts a cross-section of the elastomeric element 52 , The perimeter of the over the plate edges 50 projecting portion of the elastomeric element 52 forms a creepage path during operation of the fuel cell stack 12 for electrically insulating the adjacent bipolar plates 26 is sufficient.

2(B) zeigt eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 12 mit der in 2(A) gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 28, wobei diese entlang ihres gesamten Umfangs mit dem in der 3 gezeigten Elastomerelement 52 ausgebildet ist. Das Elastomerelement 52 folgt somit dem Verlauf der gesamten Umfangslinie der Membran-Elektroden-Anordnung 28, insbesondere auch in deren Zentrierbereichen 63. Die obere Abbildung der 2(B) zeigt den Brennstoffzellenstapel 12 in dessen erstem Zustand, wie auch in 3(A) gezeigt, wobei das zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnete Elastomerelement 52 über keinen Plattenrand 50 übersteht. Die untere Abbildung der 2(B) zeigt den Brennstoffzellenstapel 12 in dessen zweitem Zustand, wie auch in 3(B) gezeigt, wobei das Elastomerelement 52 über alle Plattenränder 50 übersteht, 2 B) shows a plan view of a fuel cell stack 12 with the in 2 (A) shown membrane electrode assembly 28 , Wherein this along its entire circumference with in the 3 shown elastomeric element 52 is trained. The elastomer element 52 thus follows the course of the entire circumference of the membrane-electrode assembly 28 , in particular in their Zentrierbereichen 63 , The upper picture of the 2 B) shows the fuel cell stack 12 in its first state, as well as in 3 (A) showing that between two bipolar plates 26 arranged elastomeric element 52 over no platemark 50 survives. The lower picture of the 2 B) shows the fuel cell stack 12 in its second state, as well as in 3 (B) shown, wherein the elastomeric element 52 over all plate edges 50 survives,

2(C) zeigt eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 12 mit der in 2(A) gezeigten Membran-Elektroden-Anordnung 28, wobei diese nur abschnittsweise entlang ihres Umfangs, nämlich in den Bereichen der Zentrierabschnitte 63, mit dem in 3 gezeigten Elastomerelement 52 ausgebildet ist. In den restlichen Abschnitten des Umfangs der Membran-Elektroden-Anordnung 28 weist diese isolierendes Dichtelement 30 auf. Das isolierende Dichtelement weist im Wesentlichen dieselbe Dicke auf, wie die Membran-Elektroden-Anordnung 28. Die obere Abbildung der 2(C) zeigt den Brennstoffzellenstapel 12 in dessen erstem Zustand, wie auch in 3(A) gezeigt, wobei das nur im Bereich der Zentrierabschnitte 63 zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnete Elastomerelement 52 über keinen Plattenrand 50 übersteht. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 2(B) steht in den restlichen Bereichen des Umfangs der Membran-Elektroden-Anordnung 28 das isolierende Dichtelement 30 bereits im ersten Zustand über die Plattenränder 50 der Bipolarplatten 26 über. Die untere Abbildung der 2(C) zeigt den Brennstoffzellenstapel 12 in dessen zweitem Zustand, wie auch in 3(B) gezeigt, wobei das im Bereich der Zentrierabschnitte 63 angeordnete Elastomerelement 52 ebenfalls über die Plattenränder 50 übersteht, Dabei steht das Elastomerelement 52 weniger über die Plattenränder über als das isolierende Dichtelement 30, dies kann jedoch auch umgekehrt sein. 2 (C) shows a plan view of a fuel cell stack 12 with the in 2 (A) shown membrane electrode assembly 28 only partially along its circumference, namely in the areas of the centering sections 63 , with the in 3 shown elastomeric element 52 is trained. In the remaining portions of the circumference of the membrane-electrode assembly 28 has this insulating sealing element 30 on. The insulating sealing member has substantially the same thickness as the membrane-electrode assembly 28 , The upper picture of the 2 (C) shows the fuel cell stack 12 in its first state, as well as in 3 (A) shown, only in the area of centering 63 between two bipolar plates 26 arranged elastomeric element 52 over no platemark 50 survives. In contrast to the embodiment of 2 B) is in the remaining areas of the circumference of the membrane-electrode assembly 28 the insulating sealing element 30 already in the first state over the plate edges 50 the bipolar plates 26 above. The lower picture of the 2 (C) shows the fuel cell stack 12 in its second state, as well as in 3 (B) shown in the region of the centering 63 arranged elastomeric element 52 also over the plate edges 50 This is where the elastomer element stands 52 less over the plate edges than the insulating sealing element 30 However, this can be the other way around.

In 4 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 12 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Seitendarstellung gezeigt. Dieser stimmt in der grundlegenden Anordnung der Bipolarplatten 26 und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 mit dem in der 3 gezeigten Brennstoffzellenstapel 12 überein. Im Unterschied zu diesem ist die Membran-Elektroden-Anordnung 28 in ihrem Randbereich 40, 42 nicht als Laminat ausgebildet. Insbesondere weist die Membran-Elektroden-Anordnung 28 nur in ihrem chemisch aktiven Bereich 32 eine Polymerelektrolytmembran mit beidseitig darauf beschichteten Elektroden auf. In ihrem Randbereich ist die Membran-Elektroden-Anordnung 28 hingegen vollständig aus einem Elastomermaterial, beispielsweise Silikon, gebildet. Das heißt, dass eine Silikonschicht mit im Wesentlichen gleicher Dicke wie das im chemisch aktiven Bereich 32 angeordnete Laminat seitlich an das Laminat angeformt ist. Mit anderen Worten ist in diesem Fall die in 2 gezeigte Membran-Elektroden-Anordnung 28 außerhalb der peripher äußersten Dichtung 30 vollständig als Silikonlage ausgebildet. Somit ist das Elastomerelement 52 mit dem ersten Randbereich 40 und dem zweiten Randbereich 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 verbunden, indem es in diese übergeht. Das Elastomerelement 52 ist somit als stoffgleiche Verdickung der Membran-Elektroden-Anordnung 28 an deren peripher äußerem Rand ausgebildet und bildet folglich den Kantenbereich 44 der Membran-Elektroden-Anordnung 28. In 4 is a section of a fuel cell stack according to the invention 12 according to a second embodiment shown in a schematic side view. This is true in the basic arrangement of the bipolar plates 26 and the membrane electrode assembly 28 with the in the 3 shown fuel cell stack 12 match. In contrast to this is the membrane electrode assembly 28 in its edge area 40 . 42 not formed as a laminate. In particular, the membrane electrode assembly 28 only in their chemically active area 32 a polymer electrolyte membrane with electrodes coated on both sides. In its edge region is the membrane electrode assembly 28 however, completely formed of an elastomeric material, such as silicone. That is, a silicone layer of substantially the same thickness as that in the chemically active region 32 arranged laminate is integrally formed on the side of the laminate. In other words, in this case, the in 2 shown membrane electrode assembly 28 outside the peripherally outermost seal 30 completely formed as a silicone layer. Thus, the elastomeric element 52 with the first edge area 40 and the second edge area 42 the membrane-electrode assembly 28 connected by going into these. The elastomer element 52 is thus the same material thickening of the membrane-electrode assembly 28 formed on the peripheral outer edge and thus forms the edge region 44 the membrane-electrode assembly 28 ,

In 4(A) ist der Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels 12 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten, unverpressten Zustand gezeigt. In diesem Zustand steht das einteilig mit dem Rand der Membran-Elektroden-Anordnung 28 ausgebildete Elastomerelement 52 nicht über die Plattenränder 50 der Bipolarplatten 26 über. Durch Ausüben einer Druckkraft in einer Richtung 54 parallel zu einer Flächennormalen der Bipolarplatte 26 geht der Brennstoffzellenstapel 12 in einen zweiten, verpressten Zustand über, wie in 4(B) gezeigt. In diesem Zustand ist das Elastomerelement 52 so verformt, dass es abschnittsweise über die Plattenränder 50 übersteht und eine elektrische Isolation der Bipolarplatten 26 bewirkt. In 4 (A) is the section of the fuel cell stack 12 according to the second embodiment of the invention in a first, unpressed state shown. In this state, this is integral with the edge of the membrane-electrode assembly 28 formed elastomeric element 52 not over the plate edges 50 the bipolar plates 26 above. By applying a compressive force in one direction 54 parallel to a surface normal of the bipolar plate 26 the fuel cell stack goes 12 in a second, compressed state over, as in 4 (B) shown. In this state, the elastomeric element 52 deformed so that it partially over the plate edges 50 survives and electrical insulation of the bipolar plates 26 causes.

Ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 12 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist in 5 in einer schematischen Seitendarstellung gezeigt. Der grundlegende Aufbau des Brennstoffzellenstapels 12 aus Bipolarplatten 26 und einer Membran-Elektroden-Anordnung 28 ist dabei wie vorstehend beschrieben. Der Randbereich 40, 42 ist, wie mit Bezug auf 4 bereits beschrieben, vollständig aus einem Elastomermaterial und einteilig mit dem Elastomerelement 52 ausgebildet. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Elastomerelement 52 nicht als wulstartige Verdickung ausgebildet, die sich zumindest abschnittsweise entlang des Umfangs der Membran-Elektroden-Anordnung 28 erstreckt. A section of a fuel cell stack according to the invention 12 according to a third embodiment of the invention is in 5 shown in a schematic page presentation. The basic construction of the fuel cell stack 12 from bipolar plates 26 and a membrane-electrode assembly 28 is as described above. The border area 40 . 42 is how related to 4 already described, completely made of an elastomeric material and integral with the elastomeric element 52 educated. In contrast to the embodiments described above, this is elastomer element 52 not formed as a bead-like thickening, at least in sections along the circumference of the membrane-electrode assembly 28 extends.

Gemäß der dritten Ausführungsform ist das Elastomerelement 52 als eine Verdickung aus Elastomermaterial gebildet, die einen ersten längserstreckten Abschnitt und einen zweiten längserstreckten Abschnitt 62 aufweist. Der erste längserstreckte Abschnitt ist parallel zu einer Stapelrichtung orientiert, wohingegen der zweite längserstreckte Abschnitt 62 mit der Stapelrichtung einen Winkel kleiner 90°, das heißt zwischen 0° und 90°, einschließt. Der Winkel ist dabei insbesondere zwischen der Richtung der maximalen Ausdehnung des längserstreckten Abschnitts 62 und der Stapelrichtung eingeschlossen. Wie vorstehend beschrieben, weisen die Bipolarplatten 26 jeweils eine Aussparung 56 zur Aufnahme des Elastomerelements 52 auf. According to the third embodiment, the elastomeric element 52 formed as a thickening of elastomeric material having a first elongated portion and a second longitudinal portion 62 having. The first elongate portion is oriented parallel to a stacking direction, whereas the second elongate portion 62 with the stacking direction an angle smaller than 90 °, that is between 0 ° and 90 °, includes. The angle is in particular between the direction of maximum extension of the elongated portion 62 and the stacking direction included. As described above, the bipolar plates 26 one recess each 56 for receiving the elastomeric element 52 on.

In einem ersten, unverpressten Zustand des Brennstoffzellenstapels 12, wie in 5(A) gezeigt, ist das Elastomerelement 52 in einem unverformten Zustand zwischen den Bipolarplatten 26 angeordnet und erstreckt sich über keinen Plattenrand 50 hinaus. Ein Abschnitt der Aussparung 56 der unteren Bipolarplatte 26 ist angefast, beziehungsweise als Fase 60 ausgebildet, an welcher der längserstreckte Abschnitt 62 des Elastomerelements 52 anliegt. In a first, unpressed state of the fuel cell stack 12 , as in 5 (A) shown is the elastomeric element 52 in an undeformed state between the bipolar plates 26 arranged and extends over no edge of the plate 50 out. A section of the recess 56 the lower bipolar plate 26 is chamfered, or as a chamfer 60 formed, on which the elongate section 62 of the elastomeric element 52 is applied.

Zum Überführen des Brennstoffzellenstapels 12 in den zweiten, verpressten und in 5(B) gezeigten Zustand wird dieser entlang der in 5(A) gezeigten Richtungen 54 verpresst. Dabei wird der erste längserstreckte Abschnitt des Elastomerelements 52 durch die obere Bipolarplatte 26 analog zum wulstartigen Elastomerelement 52 der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in Richtung des Plattenrands 50 verformt. Der zweite längserstreckte Abschnitt 62 gleitet beim Verpressen an der Fase 60 der unteren Bipolarplatte 26 ab und wird dabei so verdreht, dass der Winkel zwischen dem längserstreckten Abschnitt 62 und der Stapelrichtung zunimmt. Durch diese Verdrehung nimmt die Ausdehnung des längserstreckten Abschnitts 62 in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung zu, wodurch sich der längserstreckte Abschnitt 62 über die Plattenränder 50 hinaus erstreckt. Das Elastomerelement 52 wirkt im zweiten Zustand als Isolierelement zwischen benachbarten Bipolarplatten 26. To transfer the fuel cell stack 12 in the second, compressed and in 5 (B) This state is shown along the in 5 (A) shown directions 54 pressed. In this case, the first elongated portion of the elastomeric element 52 through the upper bipolar plate 26 analogous to the bead-like elastomer element 52 the embodiments described above in the direction of the plate edge 50 deformed. The second long stretched section 62 slides when pressed on the chamfer 60 the lower bipolar plate 26 and is twisted so that the angle between the elongated section 62 and the stacking direction increases. By this twisting takes the extension of the elongated section 62 in a direction perpendicular to the stacking direction, whereby the elongated portion 62 over the plate edges 50 extends beyond. The elastomer element 52 acts in the second state as insulating between adjacent bipolar plates 26 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Brennstoffzelle fuel cell
12 12
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
14 14
Einzelzellen Single cells
16 16
Endplatten endplates
18 18
Zugelemente tension elements
20 20
Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly
22 22
Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
24 24
Gasdiffusionslage Gas diffusion layer
26 26
Bipolarplatte bipolar
28 28
Membran-Elektroden-Anordnung Membrane electrode assembly
30 30
Dichtung poetry
32 32
chemisch aktiver Bereich chemically active area
34 34
Öffnungen openings
36 36
erste Hauptoberfläche first main surface
38 38
zweite Hauptoberfläche second main surface
40 40
erster Randbereich first edge area
42 42
zweiter Randbereich second border area
44 44
Kantenbereich edge region
46 46
erste Plattenoberfläche first plate surface
48 48
zweite Plattenoberfläche second plate surface
50 50
Plattenrand platemark
52 52
dielektrisches Elastomerelement dielectric elastomeric element
54 54
Stapelrichtung stacking direction
56 56
Vertiefung deepening
58 58
Aussparung recess
60 60
Fase chamfer
62 62
längserstreckter Abschnitt elongated section
63 63
Zentrierbereich / Zentrierabschnitt / Zentrieröffnung Centering area / centering section / centering opening

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1553652 B1 [0008] EP 1553652 B1 [0008]
  • WO 03/100894 A2 [0009] WO 03/100894 A2 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN-EN 60664-1 [0011] DIN EN 60664-1 [0011]

Claims (10)

Brennstoffzellenstapel (12) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend – eine Mehrzahl Bipolarplatten (26), jeweils mit einer ersten Plattenoberfläche (46), einer der ersten Plattenoberfläche (46) gegenüberliegenden zweiten Plattenoberfläche (48) und einen die erste und die zweite Plattenoberfläche (46, 48) verbindenden Plattenrand (50); – eine zwischen zwei Bipolarplatten (26) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (28), aufweisend: – eine erste Hauptoberfläche (36) mit einem ersten Randbereich (40), eine der ersten Hauptoberfläche (36) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (38) mit einem zweiten Randbereich (42); – ein mit dem ersten Randbereich (40) und dem zweiten Randbereich (42) verbundenes und zwischen zwei Plattenoberflächen (46, 48) angeordnetes dielektrisches Elastomerelement (52), dadurch gekennzeichnet, dass – der Brennstoffzellenstapel (12) durch Verpressen in Stapelrichtung (54) von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überführbar ist, und – das Elastomerelement (52) in dem ersten Zustand über keinen Plattenrand (50) übersteht und in dem zweiten Zustand über beide Plattenränder (50) übersteht. Fuel cell stack ( 12 ) for a fuel cell system, comprising - a plurality of bipolar plates ( 26 ), each with a first disk surface ( 46 ), one of the first disk surfaces ( 46 ) opposite second plate surface ( 48 ) and one the first and the second disk surface ( 46 . 48 ) connecting plate edge ( 50 ); - one between two bipolar plates ( 26 ) arranged membrane electrode assembly ( 28 ), comprising: - a first main surface ( 36 ) with a first edge region ( 40 ), one of the first main surfaces ( 36 ) opposite second main surface ( 38 ) with a second edge region ( 42 ); - one with the first edge area ( 40 ) and the second edge area ( 42 ) and between two plate surfaces ( 46 . 48 ) arranged dielectric elastomer element ( 52 ), characterized in that - the fuel cell stack ( 12 ) by pressing in the stacking direction ( 54 ) is convertible from a first state to a second state, and - the elastomer element ( 52 ) in the first state over no edge of the plate ( 50 ) and in the second state over both plate edges ( 50 ) survives. Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (28) in einem von dem ersten Randbereich (40) und dem zweiten Randbereich (42) begrenzten Volumen durch ein Elastomermaterial gebildet ist. Fuel cell stack ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the membrane electrode assembly ( 28 ) in one of the first edge area ( 40 ) and the second edge area ( 42 ) limited volume is formed by an elastomeric material. Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung (28) angeordneten Bipolarplatten (26) eine Vertiefung (56) zur Aufnahme des Elastomerelements (52) aufweisen. Fuel cell stack ( 12 ) according to claim 1 or 2, characterized in that on both sides of the membrane electrode assembly ( 28 ) arranged bipolar plates ( 26 ) a recess ( 56 ) for receiving the elastomeric element ( 52 ) exhibit. Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Vertiefungen (56) in dem zweiten Zustand des Brennstoffzellenstapels (12) eine Aussparung (58) bilden und das Elastomerelement (52) ein größeres Volumen als die Aussparung (58) aufweist. Fuel cell stack ( 12 ) according to claim 3, characterized in that two adjacent recesses ( 56 ) in the second state of the fuel cell stack ( 12 ) a recess ( 58 ) and the elastomeric element ( 52 ) a larger volume than the recess ( 58 ) having. Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomerelement (52) zumindest einen längserstreckten Abschnitt (62) aufweist, der einen Winkel kleiner 90° mit der Flächennormalen der Bipolarplatten (26) einschließt und der im zweiten Zustand über beide Plattenränder (50) übersteht. Fuel cell stack ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the elastomer element ( 52 ) at least one longitudinal section ( 62 ) having an angle of less than 90 ° with the surface normal of the bipolar plates ( 26 ) and in the second state over both plate edges ( 50 ) survives. Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenrand (50) zumindest abschnittsweise als Zentrierbereich (63) ausgebildet ist. Fuel cell stack ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the plate edge ( 50 ) at least in sections as a centering area ( 63 ) is trained. Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (12) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen von n – 1 Bipolarplatten (26), jeweils mit einer ersten Plattenoberfläche (46), einer der ersten Plattenoberfläche (46) gegenüberliegenden zweiten Plattenoberfläche (48) und einem die erste und die zweite Plattenoberfläche (46, 48) verbindenden Plattenrand (50) sowie zwei Unipolarplatten (16); – Bereitstellen von n Membran-Elektroden-Anordnungen (28), jeweils aufweisend eine erste Hauptoberfläche (36) mit einem ersten Randbereich (40), eine der ersten Hauptoberfläche (36) gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche (38) mit einem zweiten Randbereich (42) und zumindest ein mit dem ersten Randbereich (40) und dem zweiten Randbereich (42) verbundenes dielektrisches Elastomerelement (52); – Anordnen einer Membran-Elektroden-Anordnung (28) zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (26), wobei jeweils zumindest ein Elastomerelement (52) zwischen zwei Plattenoberflächen (46, 48) angeordnet ist und über keinen Plattenrand (50) übersteht; – Zentrieren der Bipolarplatten (26) durch Anlegen oder Durchführen eines Zentrierelements an oder durch einen Zentrierbereich (63); und – Verpressen des Brennstoffzellenstapels (12) in Stapelrichtung (54), sodass das jeweils zumindest eine zwischen zwei Plattenoberflächen (46, 48) angeordnete Elastomerelement (52) über beide Plattenränder (50) übersteht. Method for producing a fuel cell stack ( 12 ) for a fuel cell system, comprising the method steps: - providing n - 1 bipolar plates ( 26 ), each with a first disk surface ( 46 ), one of the first disk surfaces ( 46 ) opposite second plate surface ( 48 ) and one of the first and second disk surfaces ( 46 . 48 ) connecting plate edge ( 50 ) and two unipolar plates ( 16 ); Providing n membrane electrode assemblies ( 28 ), each having a first main surface ( 36 ) with a first edge region ( 40 ), one of the first main surfaces ( 36 ) opposite second main surface ( 38 ) with a second edge region ( 42 ) and at least one with the first edge area ( 40 ) and the second edge area ( 42 ) connected dielectric elastomer element ( 52 ); Arranging a membrane electrode assembly ( 28 ) between each two bipolar plates ( 26 ), wherein in each case at least one elastomer element ( 52 ) between two plate surfaces ( 46 . 48 ) is arranged and over no plate edge ( 50 ) survives; - centering of the bipolar plates ( 26 ) by applying or passing a centering element to or through a centering region ( 63 ); and - compressing the fuel cell stack ( 12 ) in the stacking direction ( 54 ), so that in each case at least one between two plate surfaces ( 46 . 48 ) arranged elastomeric element ( 52 ) over both edges of the plate ( 50 ) survives. Verfahren nach Anspruch 7, vor dem Verpressen des Brennstoffzellenstapels (12) ferner aufweisend zumindest einen der folgenden Verfahrensschritte: – Entfernen des Zentrierelements von oder aus dem Zentrierbereich (63); – Vorpressen des Brennstoffzellenstapels (12) in Stapelrichtung (54) mit einem geringeren Druck als bei dem Verpressen des Brennstoffzellenstapels (12); und – Pausieren des Verfahrens für einen vorbestimmte Zeitraum ∆t1 zum Entformen einer durch das Zentrierelement am Elastomerelement (52) bewirkten Verformung. Method according to claim 7, before the compression of the fuel cell stack ( 12 ) further comprising at least one of the following method steps: - removing the centering element from or from the centering region ( 63 ); - Prepressing the fuel cell stack ( 12 ) in the stacking direction ( 54 ) with a lower pressure than in the compression of the fuel cell stack ( 12 ); and - pausing the process for a predetermined period .DELTA.t1 for demoulding by the centering element on the elastomeric element ( 52 ) caused deformation. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Fuel cell system with a fuel cell stack ( 12 ) according to one of claims 1 to 6. Fahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9. A vehicle comprising a fuel cell system according to claim 9.
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