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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Eine Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
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Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und die beiden GDL bilden eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC. Zwei benachbarte Bipolarplatten wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Damit kein elektrischer Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten in einem den aktiven Bereich der PEM-FC umgebenden inaktiven Bereich der PEM-FC auftritt, wird die MEA, insbesondere der Rand der PEM der MEA, zwischen zwei elektrisch isolierende Folien einlaminiert. Damit sind die übereinander angeordneten Bipolarplatten in dem inaktiven Bereich der PEM-FC elektrisch voneinander isoliert sind.
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Aus der
DE202017107797U1 ist ein elektrochemisches System mit zwei Separatorplatten und Fixierelementen zum Fixieren der Separatorplatten bekannt. Nachteiligerweise ist das Positionieren einer Membran mit einem Rahmenabschnitt zwischen den zwei benachbarten Separatorplatten nur grob möglich, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten auftreten kann. Weiter ist das Anordnen der Membran mit dem Rahmenabschnitt an eine Separatorplatte sehr zeitintensiv, da der Rahmenabschnitt selbst nur zwischen den Fixierelementen aufgenommen bzw. verpresst wird. Die Membran mit dem Rahmenabschnitt kann leicht verrutschen worunter auch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels leiden kann. Das anschließende Anordnen einer weiteren Separatorplatte an diese Membran mit dem Rahmenabschnitt ist ebenfalls sehr zeitintensiv, da die Membran mit dem Rahmenabschnitt selbst die weitere Separatorplatte nicht zentrieren kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zeigt eine Folie gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Folien-MEA System gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6, einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Folie beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Folien-MEA System, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Folie für ein Foliensystem einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere übereinander angeordnete Brennstoffzellen mit Bipolarplatten und eine Membran-Elektroden-Einheit pro Brennstoffzelle umfasst. Weiter weist die Folie einen Grundkörper mit einer ebenen Erstreckung auf, wobei geneigt zu dem Grundkörper an zumindest zwei Seiten des Grundkörpers Zentriervorsprünge ausgebildet sind.
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Die Folie kann gasdicht und/oder eine hohe Wärmeformbeständigkeit und/oder eine hohe mechanische Festigkeit und/oder eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Eine solche Folie kann sich somit besonders vorteilhaft für den Brennstoffzellenstapel eignen. Eine Bipolarplatte kann mithilfe der Zentriervorsprünge besonders genau zu dem Folien-MEA System positioniert werden. Damit ist gemeint, dass die Bipolarplatte mit ihrem im aktiven Bereich angeordneten Strömungsfeld besonders exakt zu einer Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Einheit positioniert werden kann. Die Bipolarplatte kann vorteilhafterweise an den Zentriervorsprüngen herunterrutschen bis die vorbestimmte Position der Bipolarplatte relativ zu dem Folien-MEA System erreicht ist. Ferner kann durch die definierte Führung der Bipolarplatte relativ zu dem Folien-MEA System auch ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden. Weiter kann die Folie Ausnehmungen, bspw. zur Anordnung einer Membran-Elektroden-Einheit oder für Versorgungskanäle, sogenannten Ports, des Brennstoffzellenstapels, aufweisen. Insbesondere kann die Folie rahmenförmig ausgebildet sein, wobei in der Ausnehmung der rahmenförmigen Folie, die Membran-Elektroden-Einheit besonders vorteilhaft angeordnet werden kann.
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Die Zentriervorsprünge können durch einen Laminierprozess unter Ausübung von Druck und Wärme in der Folie ausgebildet werden. Es ist auch denkbar, dass die Zentriervorsprünge durch einen Umformprozess, insbesondere durch einen Heißumformprozess, in der Folie ausgebildet werden. Somit können besonders einfach und schnell die Zentriervorsprünge in der Folie ausgebildet werden. Weiter können somit die Zentriervorsprünge in der Folie besonders gut reproduziert werden. Ein Stapeln der Bipolarplatten und des Folien-MEA Systems mit erfindungsgemäßen Folien zu dem Brennstoffzellestapel kann daher besonders schnell und genau erfolgen. Ferner kann somit auch ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden. Die Zentriervorsprünge sind insbesondere mit der Folie einstückig ausgebildet.
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Insbesondere ist an den zumindest zwei Seiten des Grundkörpers zumindest jeweils ein Zentriervorsprung ausgebildet. Der Grundkörper der Folie kann rechteckig ausgebildet sein. Ein rechteckiger Grundkörper kann besonders vorteilhaft eine rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige Bipolarplatte, insbesondere einen rechteckigen Grundkörper der Bipolarplatte, aufnehmen. Bei dem rechteckigen Grundkörper der Folie können als die zumindest zwei Seiten des Grundkörpers, an dem die Zentriervorsprünge ausgebildet sind, zwei äußere Kanten bzw. zwei Ränder des rechteckigen Grundkörpers verstanden werden. Insbesondere können die Zentriervorsprünge im Bereich der Kanten bzw. der Ränder ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind die Zentriervorsprünge an gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers angeordnet, somit kann eine besonders vorteilhafte Zentrierung einer weiteren Folie zur Bildung des stapelbaren Foliensystems oder einer Bipolarplatte erfolgen. Insbesondere ist an jeder Seite des rechteckigen Grundkörpers zumindest jeweils ein Zentriervorsprung ausgebildet. Damit kann eine besonders genaue Zentrierung erfolgen.
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Vorteilhafterweise sind die Zentriervorsprünge jeweils an jeder der zumindest zwei Seiten des Grundkörpers derart geneigt, dass diese in die gleiche Richtung, basierend auf den Grundkörper, ausgebildet sind. Mit anderen Worten zeigen die Zentriervorsprünge, basierend auf den Grundkörper, an den zumindest zwei Seiten des Grundkörpers jeweils in die gleiche Richtung. Außerdem können die Zentriervorsprünge insbesondere nach außen, d. h. weg vom Grundkörper, gerichtet sein. Weiter können vorteilhafterweise alle Zentriervorsprünge, basierend auf den Grundkörper, nach oben bzw. nach unten gerichtet sein.
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Mit einer erfindungsgemäßen Folie kann, aufgrund der geneigten Zentriervorsprünge, eine weitere erfindungsgemäße Folie besonders einfach zu dem stapelbaren Foliensystem angeordnet werden. Hierfür kann es ausreichend sein, wenn die eine weitere erfindungsgemäße Folie nur grob auf die andere Folie gelegt wird. Die eine weitere Folie kann an den Zentriervorsprüngen der anderen Folie herunterrutschen bzw. gleiten und somit zentriert werden. Der Grundkörper der einen weiteren Folie und der Grundkörper der anderen Folie kontaktieren sich insbesondere flächig. Mit anderen Worten liegen die beiden Grundkörper zum großen Teil direkt aufeinander. Vorteilhafterweise können die beiden Folien besonders einfach, schnell und zuverlässig zu dem stapelbaren Foliensystem angeordnet werden. Insbesondere durch die Zentriervorsprünge der jeweiligen Folien wird das Foliensystem selbst stapelbar. Die jeweiligen Grundkörper der beiden Folien können besonders vorteilhaft fluchtend übereinander liegen. Die beiden Folien sind insbesondere identisch ausgebildet, sodass die Ausnehmungen der beiden identischen Folien ebenfalls besonders vorteilhaft fluchtend übereinander liegen können. Die Membran-Elektroden-Einheit des Folien-MEA Systems kann somit besonders vorteilhaft in der Ausnehmung angeordnet werden und zumindest tlw. zwischen den beiden Folien aufgenommen werden.
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Mit besonderem Vorteil kann eine erfindungsgemäße Folie zumindest ein laminierbares Material umfassen. Die Folie kann als das zumindest eine laminierbare Material Polyethylennaphthalat (PEN) aufweisen. Mit anderen Worten kann die Folie eine PEN-Folie sein. Vorteilhafterweise kann PEN eine besonders vorteilhafte Gasdichtigkeit, Wärmeformbeständigkeit, mechanische Festigkeit, hohe Chemikalienbeständigkeit und eine besonders geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die PEN-Folie kann sich somit besonders vorteilhaft für den Brennstoffzellenstapel eignen und besonders vorteilhaft einen elektrischen Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten vermeiden. Die Folie ist insbesondere nach einem Laminierprozess formstabil. Damit ist gemeint, dass die Folie widerstandsfähig gegen Druck und/oder Wärme ist und die Form unter Druck im Wesentlichen beibehält. Vorteilhafterweise kann somit sichergestellt werden, dass die an den zumindest zwei Seiten des Grundkörpers ausgebildeten Zentriervorsprünge ihre Form beibehalten und ein Stapeln der Bipolarplatten und des Folien-MEA Systems zu dem Brennstoffzellestapel besonders schnell und genau erfolgen kann.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Folie die Zentriervorsprünge umlaufend um den Grundkörper ausgebildet sind. Somit kann eine besonders akkurate Zentrierung einer weiteren erfindungsgemäßen Folie und folglich auch eine besonders akkurate Zentrierung einer Bipolarplatte durch die Zentriervorsprünge des stapelbaren Foliensystems erfolgen. Mit umlaufend ist gemeint, dass die Zentriervorsprünge an jeder Seite des Grundkörpers der Folie angeordnet sind und zusammen einen gemeinsamen Zentriervorsprung bilden. Der Grundköper mit den umlaufenden Zentriervorsprüngen kann eine Wannenform bzw. eine Trichterform aufweisen.
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Vorteilhafterweise können bei einer erfindungsgemäßen Folie die Zentriervorsprünge jeweils einen Winkel zwischen 20° und 70°, insbesondere 45°, mit dem ebenen Grundkörper einschließen. Vorteilhafterweise schließen alle Zentriervorsprünge jeweils denselben Winkel mit dem ebenen Grundkörper ein. Besonders vorteilhaft schließen die Zentriervorsprünge mit dem ebenen Grundkörper einen Winkel von 45° ein. Somit kann das Zentrieren einer weiteren Folie bzw. das Zentrieren einer Bipolarplatte einerseits besonders schnell erfolgen und andererseits akkurat.
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Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Folie jeder der Zentriervorsprünge eben ausgebildet sein. Damit ist gemeint, dass die Zentriervorsprünge jeweils eine ebene Erstreckung aufweisen. Somit kann eine weitere erfindungsgemäße Folie besonders schonend an den Zentriervorsprüngen der erfindungsgemäßen Folie herunterrutschen bzw. gleiten und die Zentrierung der Folie besonders akkurat erfolgen. Es ist auch denkbar, dass die Zentriervorsprünge konvex ausgebildet sind, wobei jeweils die konvexe Seite dem Grundkörper der Folie zugewandt ist. Somit wird ein Verrutschen einer an der Folie angeordneten weiteren erfindungsgemäßen Folie bzw. einer Bipolarplatte besonders vorteilhaft verhindert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Folie elektrisch isolierend ausgebildet sein zur elektrischen Trennung zweier benachbarter Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels in dem inaktiven Bereich der Brennstoffzelle. Vorteilhafterweise ist zumindest eine der zwei aneinander angeordneten Folien des stapelbaren Foliensystems des Folien-MEA Systems elektrisch isolierend ausgebildet. Somit kann besonders einfach ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel verhindert werden. Bevorzugterweise sind beide der zwei aneinander angeordneten Folien des stapelbaren Foliensystems elektrisch isolierend ausgebildet, wobei insbesondere die zwei aneinander angeordneten Folien PEN-Folien sind. Damit kann eine besonders effektive und sichere elektrische Isolierung gegeben sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Folien-MEA System zum Anordnen zwischen zwei Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels. Weiter weist das Folien-MEA System ein stapelbares Foliensystem mit zwei aneinander angeordneten erfindungsgemäßen Folien auf. Ferner umfasst das Folien-MEA System eine Membran-Elektroden-Einheit, die zumindest tlw. zwischen den beiden Folien angeordnet ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Folien-MEA System kann, aufgrund der geneigten Zentriervorsprünge der zwei aneinander angeordneten erfindungsgemäßen Folien, eine Bipolarplatte besonders einfach auf dem Folien-MEA System zentriert werden. Hierfür kann es ausreichend sein, wenn die Bipolarplatte nur grob auf das Folien-MEA System gelegt wird. Die Bipolarplatte kann an den Zentriervorsprüngen der beiden zu dem Foliensystem angeordneten Folien herunterrutschen bzw. gleiten und somit auf dem Folien-MEA System zentriert werden. Das Folien-MEA System und die Bipolarplatte können somit besonders einfach, schnell, genau und kostengünstig aneinander angeordnet werden. Insbesondere können die Membran-Elektroden-Einheit des Folien-MEA Systems und ein Strömungsfeld der Bipolarplatte somit besonders exakt zueinander positioniert werden. Seitlich angebrachte mechanische Anschläge zum Ausrichten der Bipolarplatten und der Folien-MEA Systeme zu dem Brennstoffzellenstapel können somit entfallen. Weiter kann somit sichergestellt werden, dass das Foliensystem über den Rand der Bipolarplatten stehen kann, und damit kann ein Kurschluss am Rand der Bipolarplatten vorteilhafterweise verhindert werden.
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Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektroden mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese an die PEM angeordnet sein können und beidseitig begrenzen können. Man kann hier von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier von einer MEA-5 sprechen. Die Abmessungen der PEM können insbesondere größer als die Abmessungen der porösen Elektroden und der Gasdiffusionslagen sein. Insbesondere weist die PEM der MEA-3 bzw. der MEA-5 einen umlaufenden Rand auf. Die MEA-3 bzw. MEA-5 kann zumindest tlw. in einer Ausnehmung der beiden erfindungsgemäßen Folien zwischen den beiden erfindungsgemäßen Folien angeordnet werden. Insbesondere kann nur der umlaufende Rand der PEM der MEA-3 bzw. der MEA-5 zwischen den beiden Folien angeordnet werden. Das Anordnen der Membran-Elektroden-Einheit zwischen den beiden Folien kann als stoffschlüssiges Anordnen, insbesondere mittels eines Laminierprozesses, verstanden werden.
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Die zwei aneinander angeordneten erfindungsgemäßen Folien können deckungsgleich sein. Mit anderen Worten können die Folien identisch sein. Damit ist gemeint, dass die beiden Folien die gleichen Abmessungen, insbesondere im Wesentlichen die gleichen Abmessungen und/oder Ausnehmungen aufweisen können. Die Ausnehmung kann eine Ausnehmung für die Membran-Elektroden-Einheit sein und kann vorteilhafterweise viereckig ausgebildet sein. Somit kann die erfindungsgemäße Folie eine Rahmenform aufweisen. Es ist auch denkbar, dass eine der beiden Folien größere Abmessungen als die andere Folie aufweist, sodass ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden werden kann. Unter größeren Abmessungen kann verstanden werden, dass die Folie länger und/oder breiter ist. Insbesondere weisen die beiden Folien dieselben Zentriervorsprünge an derselben Position auf.
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Das Folien-MEA System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Folie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens zwei Bipolarplatten, wobei zwischen den mindestens zwei Bipolarplatten ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System angeordnet ist.
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Der Brennstoffzellenstapel kann eine besonders hohe Leistung aufweisen, da die Ausrichtung der abwechselnd übereinander angeordneten Folien-MEA Systeme und der Bipolarplatten besonders akkurat und genau erfolgen kann. Insbesondere können die Membran-Elektroden-Einheit des Folien-MEA Systems und ein Strömungsfeld der Bipolarplatte besonders exakt zueinander positioniert werden. Weiter kann das abwechselnde übereinander Anordnen der Folien-MEA Systeme und der Bipolarplatten besonders einfach und schnell erfolgen. Durch die jeweiligen Zentriervorsprünge der Folien der Foliensysteme der Folien-MEA Systeme ist ein besonders einfaches und rasches Anordnen einer Bipolarplatte möglich. Weiter können die Foliensysteme über die Ränder der Bipolarplatten stehen, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden werden kann.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel die mindestens zwei Bipolarplatten jeweils einen Grundkörper mit einer ebenen Erstreckung aufweisen, wobei jeweils geneigt zu dem Grundkörper entsprechend des Foliensystems des Folien-MEA Systems an zumindest zwei Rändern des Grundkörpers der jeweiligen Bipolarplatte Bipolarplatten-Zentriervorsprünge ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweise können die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge entsprechend den Zentriervorsprüngen der Folien bzw. des stapelbaren Foliensystems ausgebildet sein. Für die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge können sich dieselben Vorteile wie bereits für die Zentriervorsprünge der erfindungsgemäßen Folie ergeben. Insbesondere können die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge auch umlaufend um den jeweiligen Grundkörper der Bipolarplatten ausgebildet sein. Weiter können die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge jeweils einen Winkel zwischen 20° und 70°, insbesondere 45°, mit dem Grundkörper der Bipolarplatte, insbesondere einer Ebene der Bipolarplatte, einschließen. Als Ebene des Grundkörpers kann die Ebene verstanden werden, welche durch die Längsrichtung und die Querrichtung der Bipolarplatte aufgespannt wird. Ferner können die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge, wie die Zentriervorsprünge der erfindungsgemäßen Folie, eben ausgebildet sein.
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Mit den Bipolarplatten-Zentriervorsprüngen kann ein Folien-MEA System besonders einfach auf der Bipolarplatte zentriert werden. Hierfür kann es ausreichend sein, wenn das Folien-MEA System nur grob auf die Bipolarplatte gelegt wird. Das Folien-MEA System kann an den Bipolarplatten-Zentriervorsprüngen der Bipolarplatte herunterrutschen bzw. gleiten und somit auf der Bipolarplatte zentriert werden. Der Grundkörper der Folien des Foliensystems des Folien-MEA Systems und der Grundkörper der Bipolarplatte weisen vorteilhafterweise die gleichen Abmessungen auf. Damit ist gemeint, dass die Länge und die Breite identisch oder im Wesentlichen identisch sind. Somit kann gewährleistet werden, dass das Folien-MEA System besonders vorteilhaft, insbesondere optimal, an die Bipolarplatte angeordnet werden. Der Grundkörper der Bipolarplatte und der Grundkörper des Folien-MEA Systems, insbesondere die Grundkörper der beiden Folien des Foliensystems des Folien-MEA Systems, kontaktieren sich daher vorteilhafterweise flächig. Mit anderen Worten liegen die beiden Grundkörper direkt aufeinander. Das Folien-MEA System und die Bipolarplatte können sich somit insbesondere im aktiven Bereich besonders vorteilhaft kontaktieren. Mit den Bipolarplatten-Zentriervorsprüngen und den Zentriervorsprüngen der Folien des Foliensystems des Folien-MEA Systems können Bipolarplatten und Folien-MEA Systeme besonders einfach, schnell, genau und kostengünstig aneinander angeordnet werden. Seitlich angebrachte mechanische Anschläge zum Ausrichten der Bipolarplatten und der Folien-MEA Systeme zu dem Brennstoffzellenstapel können somit entfallen. Weiter kann somit sichergestellt werden, dass das Foliensystem über den Rand der Bipolarplatten stehen kann, und damit kann ein Kurschluss am Rand der Bipolarplatten vorteilhafterweise verhindert werden.
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Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel wenigstens eine der beiden Folien des Foliensystems zumindest teilweise über die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge wenigstens einer der beiden Bipolarplatten stehen. Somit kann ein Kurzschluss zwischen den zwei Bipolarplatten besonders vorteilhaft verhindert werden. Insbesondere steht wenigstens eine der beiden Folien, vorteilhafterweise beide Folien des Foliensystems, umlaufend über die Seiten des Grundkörpers der Bipolarplatte und den Bipolarplatten-Zentriervorsprüngen über. Vorteilhafterweise kann das stapelbare Foliensystem auch über Portränder der Bipolarplatten überstehen. Mit anderen Worten kann das stapelbare Foliensystem in die Ports der Bipolarplatten hineinstehen.
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Der Brennstoffzellenstapel gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Folie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Folien-MEA System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Gemäß einem vierten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Folien-MEA Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Bereitstellen einer ersten Folie,
- b) Anordnen einer Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Seite an die erste Folie,
- c) Anordnen einer zweiten Folie an eine zweite Seite der Membran-Elektroden-Einheit,
- d) Umformen und/oder Laminieren der ersten Folie, der Membran-Elektroden-Einheit und der zweiten Folie zu dem Folien-MEA System mit dem stapelbaren Foliensystem.
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In Schritt a) kann die erste Folie durch einen Spritzgussprozess bzw. durch Anspritzen bereitgestellt werden. Ausnehmungen in der ersten Folie können bei dem Spritzguss berücksichtigt werden. Es ist auch denkbar, dass die erste Folie auf einer Spule bereitgestellt wird. Eine solche erste Folie kann von der Spule abgewickelt werden, eben ausgelegt werden und in einem zusätzlichen Schritt zugeschnitten werden. Insbesondere kann die erste Folie entsprechend den Abmessungen der Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels zugeschnitten werden. Mit dem Zuschneiden können auch die Ausnehmungen, insbesondere die Ausnehmung für die Membran-Elektroden-Einheit und/oder Ports, in der ersten Folie realisiert werden. Im Folgeschritt b) wird die Membran-Elektroden-Einheit mit der ersten Seite an die erste Folie angeordnet. Insbesondere wird die Membran-Elektroden-Einheit an die Ausnehmung für die Membran-Elektroden-Einheit angeordnet. Mit Anordnen kann hier gemeint sein, dass die Membran-Elektroden-Einheit auf die erste Folie, insbesondere an die Ausnehmung, gelegt wird. Vorteilhafterweise überlappen die Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere die PEM der Membran-Elektroden-Einheit, und die erste Folie. Im Folgeschritt c) wird die zweite Folie an die zweite Seite der Membran-Elektroden-Einheit, angeordnet. Insbesondere wird die zweite Folie derart an die zweite Seite der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, dass die zweite Folie und die erste Folie fluchtend übereinander liegen. Das Anordnen der zweiten Folie kann durch einen Spritzgussprozess bzw. durch Anspritzen erfolgen. Es ist auch denkbar, dass die zweite Folie auf einer Spule bereitgestellt wird und, wie oben bereits beschrieben, zusätzlich zugeschnitten wird. Die zweite Folie kann hier auf die Membran-Elektroden-Einheit gelegt werden. Im Folgeschritt d) kann die erste Folie, die Membran-Elektroden-Einheit und die zweite Folie zu dem Folien-MEA System mit dem stapelbaren Foliensystem umgeformt und/oder laminiert werden. Mit anderen Worten können in diesem Schritt gleichzeitig an beiden Folien jeweils an zumindest zwei Seiten des jeweiligen Grundkörpers der Folien Zentriervorsprünge ausgebildet sind. Das Umformen kann durch einen Umformprozess, insbesondere durch einen Heißumformprozess, erfolgen.
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Es ist auch denkbar, dass vor dem Anordnen der Membran-Elektroden-Einheit an die erste Folie in die erste und in die zweite Folie jeweils die Zentriervorsprünge ausgebildet werden, beispielsweise durch einen Heißumformprozess bzw. durch einen Warmumformprozess. Somit kann das Anordnen der zwei erfindungsgemäßen Folien aneinander besonders akkurat und schnell erfolgen.
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Das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Folie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Folien-MEA System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es zeigen schematisch:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Folie einer Ausführungsform,
- 2 in einer Vorderansicht eine erfindungsgemäße Folie in einer weiteren Ausführungsform,
- 3 in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System in einer Ausführungsform,
- 4 in einer perspektivischen Ansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Ausführungsform,
- 5 in einer perspektivischen Ansicht eine Bipolarplatte,
- 6 in einer perspektivischen Ansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer weiteren Ausführungsform, und
- 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Folie 1 in einer Ausführungsform, wobei die Folie 1 einen Grundkörper 2 mit einer ebenen Erstreckung aufweist, wobei geneigt zu dem Grundkörper 2 an vier Seiten des Grundkörpers 2 Zentriervorsprünge 10 ausgebildet sind. Der Grundkörper 2 ist rechteckig ausgebildet und die Zentriervorsprünge 10 um den Grundkörper 2 bilden einen umlaufenden Rand. Die erfindungsgemäße Folie zeigt vorteilhafterweise eine Wannenform auf.
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2 zeigt in einer Vorderansicht eine erfindungsgemäße Folie 1 in einer weiteren Ausführungsform. Vorteilhafterweise sind die Zentriervorsprünge 10 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 2 der Folie 1 ausgebildet. Insbesondere schließen die Zentriervorsprünge 10 mit dem ebenen Grundkörper 2 einen Winkel von a bzw. α' ein. Vorteilhafterweise sind a bzw. α' gleich groß, insbesondere 45°. Somit kann das Zentrieren einer weiteren Folie 1 bzw. das Zentrieren einer Bipolarplatte 110 einerseits besonders schnell erfolgen und andererseits akkurat. Die zu dem Grundkörper 2 geneigten Zentriervorsprünge 10 zeigen jeweils nach außen, d. h. weg vom Grundkörper 2. Die Zentriervorsprünge 10 zeigen weiter jeweils nach oben.
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3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System 40 in einer Ausführungsform, wobei das Folien-MEA System 40 ein stapelbares Foliensystem 20 mit zwei aneinander angeordneten Folien 1a, 1b umfasst. Eine Membran-Elektroden-Einheit 120 ist in einer Ausnehmung der Folien 1a, 1b zwischen den beiden Folien 1a,1b angeordnet. Zwischen den beiden Folien angeordnet kann so verstanden werden, dass insbesondere ein Rand einer PEM der Membran-Elektroden-Einheit 120 zwischen den beiden Folien angeordnet ist. Zusätzlich können noch Ausnehmungen für Ports, d. h. Öffnungen zum Leiten von Fluiden, wie einem Kühlfluid oder einem Gas, in dem Foliensystem des Folien-MEA Systems ausgebildet sein.
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In 4 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 200 in einer Ausführungsform dargestellt. In 4 sind abwechselnd Folien-MEA Systeme 40 und Bipolarplatten 110 übereinander angeordnet. Durch die Zentriervorsprünge 10 der Folien 1a, 1b der Foliensysteme 10 der Folien-MEA Systeme 40 ist ein besonders einfaches und rasches Anordnen einer Bipolarplatte 110 möglich. Weiter stehen die Folien 1a, 1b über die Ränder der Bipolarplatten 110 über, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 110 besonders vorteilhaft vermieden wird.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Bipolarplatte 110, wobei die Bipolarplatte 110 einen Grundkörper 112 mit einer ebenen Erstreckung aufweist, wobei geneigt zu dem Grundkörper 112 an vier Seiten des Grundkörpers 112 Bipolarplatten-Zentriervorsprünge 111 ausgebildet sind. Der Grundkörper 112 ist rechteckig ausgebildet und die Zentriervorsprünge 111 um den Grundkörper 112 bilden einen umlaufenden Rand. Die Bipolarplatte 110 zeigt vorteilhafterweise wie die erfindungsgemäße Folie in 1 eine Wannenform auf.
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In 6 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 200 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. In 7 sind abwechselnd Folien-MEA Systeme 40 und Bipolarplatten 110 übereinander angeordnet. Durch die Zentriervorsprünge 10 der Folien 1a, 1b der Foliensysteme 10 der Folien-MEA Systeme 40 und durch die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge 111 der Bipolarplatten 110 können die Folien-MEA Systeme und die Bipolarplatten 110 besonders akkurat, schnell und einfach zu dem Brennstoffzellenstapel 200 angeordnet werden. Weiter stehen die Folien 1a, 1b über die Bipolarplatten-Zentriervorsprünge (111) der zeitlich davor angeordneten Bipolarplatte (110) über, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen den zwei benachbarten Bipolarplatten 110 besonders vorteilhaft vermieden wird.
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7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Folien-MEA Systems 40. In einem ersten Schritt wird eine erfindungsgemäße Folie 1a bereitgestellt 302. Ist die Folie 1a auf einer Spule aufgewickelt, kann diese anschließend zusätzlich bereits zugeschnitten werden. Danach wird eine Membran-Elektroden-Einheit 120 mit einer ersten Seite an die erste Folie 1a angeordnet 306. In einem nächsten Schritt wird die zweite Folie 1b an die der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Membran-Elektroden-Einheit 120 angeordnet 308. In dem darauffolgenden Schritt wird die erste Folie 1a, die zweite Folie 2a und die zwischen den beiden Folien 1a, 1b angeordnete Membran-Elektroden-Einheit 120 zu dem erfindungsgemäßen Folien-MEA System 40 umgeformt und/oder laminiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202017107797 U1 [0003]
