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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle - insbesondere eine Brennstoffzelle - und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen, insbesondere Brennstoffzellen, mit Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweis aus der Offenlegungsschrift
DE102015218117 (A1 ). Die Membran-Elektroden-Anordnungen weisen dabei üblicherweise eine Membran und auf beiden Seiten der Membran je eine Elektrodenschicht auf, optional auch noch Diffusionslagen. Die Membran und die Elektrodenschichten sind an ihrem Umfang von einer Rahmenstruktur eingefasst, oft wird hier auch von einem Subgasket gesprochen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun eine elektrochemische Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte so zur Verfügung zu stellen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber der Bipolarplatte, insbesondere auch bei einem Stapelprozess, gegenüber Verrutschen gesichert ist. Eine ausreichende Verbindung der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte soll gewährleistet sein. Ein positionsgenaues Stapeln der einzelnen Komponenten zu einem Zellenstapel aus mehreren elektrochemischen Zellen wird dadurch ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle umfasst dazu eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte. Die Membran-Elektroden-Anordnung weist eine Rahmenstruktur auf. In der Bipolarplatte ist eine Ausnehmung ausgebildet. An der Rahmenstruktur ist ein Positioniermerkmal ausgebildet, welches zumindest teilweise durch die Ausnehmung ragt und so mit der Bipolarplatte zusammenwirkt.
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Dadurch wird ein relatives Verrutschen der Bipolarplatte zu der Membran-Elektroden-Anordnung verhindert. In der Plattenebene - also senkrecht zu einer Stapelrichtung z - gibt es somit einen Formschluss zwischen dem Positioniermerkmal und der Bipolarplatte, welcher Querkräfte an einer zugehörigen Kontaktfläche des Positioniermerkmals übertragen kann. Durch das Verhindern der Verschiebung des Verbunds aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung können für den Stapelprozess, also für das Stapeln einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen, sehr enge Toleranzen des so gefertigten Zellenstapels eingehalten werden.
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Selbstverständlich können auch mehrere derartige Positioniermerkmale - besonders bevorzugt zwei oder drei - an der Rahmenstruktur ausgebildet sein, so dass eine eindeutige Lage der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte definiert wird.
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Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Membran, insbesondere eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektrodenschichten mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese insbesondere an die PEM angeordnet sind und beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Bevorzugt umfasst die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
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Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Elektrolysezelle oder eine Batteriezelle sein. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Zellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen.
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Die Rahmenstruktur weist insbesondere eine Rahmenform auf. Die Rahmenstruktur ist vorzugsweise umlaufend ausgeführt. Somit können eine Membran und die beiden Elektroden besonders vorteilhaft in der Rahmenstruktur eingefasst sein. Des Weiteren ist die Rahmenstruktur im Querschnitt insbesondere U-förmig oder Y-förmig zur Aufnahme der Membran und der beiden Elektroden zwischen den Schenkeln der U-Form bzw. Y-Form ausgebildet.
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Ein Klebemittel dichtet bevorzugt die Membran-Elektroden-Einheit nach außen ab, verklebt zwei Folien der Rahmenstruktur zueinander und fixiert die Membran mit den beiden Elektroden in der Rahmenstruktur.
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Das Klebemittel kann ferner vorzugsweise elektrisch isolierend sein. Somit kann die Rahmenstruktur besonders vorteilhaft elektrisch isolierend sein und ein ungewollter Stromfluss in einem inaktiven Bereich der elektrochemischen Zelle besonders vorteilhaft geringgehalten, insbesondere verhindert, werden.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist das Positioniermerkmal an einem Außenbereich der Rahmenstruktur ausgebildet. Besonders bevorzugt weist die Rahmenstruktur in diesem Außenbereich nur zwei Folien unter Zwischenlage eines Klebemittels auf und nicht mehr die eingelegte Membran. Bei der Formung des Positioniermerkmals müssen so nur die beiden Folien mit dem Klebemittel umgeformt werden. Weiterhin werden dadurch die teuren Elektrodenschichten in einem nicht-aktiven Bereich eingespart.
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In bevorzugten Ausführungen ist an dem Positioniermerkmal eine Verkrallung ausgebildet, welche in einer Stapelrichtung z mit der Bipolarplatte zusammenwirkt. Dadurch ist ein Hinterschnitt bzw. ein Formschluss zwischen dem Positioniermerkmal und der Bipolarplatte in der Stapelrichtung z gebildet. Dieser Formschluss dient nicht dem Sichern gegen Verrutschen, sondern dem Sichern gegen Abheben der Membran-Elektroden-Anordnung von der Bipolarplatte. Dies ist während der Fertigung insbesondere bei Transport- oder Greifprozessen sehr vorteilhaft, so dass mehrere elektrochemische Zellen schnell übereinandergestapelt werden können. Vorteilhafterweise ragt das Positioniermerkmal dabei durch die Ausnehmung hindurch.
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Bevorzugt besteht die Rahmenstruktur bzw. die Folien der Rahmenstruktur aus einem mittels Heißstempel gut umzuformenden Material wie beispielsweise PEN (Polyethylennaphthalat).
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Vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle nach einer der obigen Ausführungen.
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Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
- • Positionieren der Membran-Elektroden-Anordnung zu der Bipolarplatte.
- • Formen des Positioniermerkmals der Rahmenstruktur in der Ausnehmung mittels eines Formwerkzeugs.
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Bevorzugt wird das Formen des Positioniermerkmals mittels eines als Heißstempel ausgeführten Umformstempels durchgeführt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen wird an dem Positioniermerkmal eine Verkrallung ausgebildet, bevorzugt mittels eines zweiteiligen Formwerkzeugs. Mit dem Heißstempel wird die Rahmenstruktur in die Ausnehmung gedrückt und bildet auf einem Gegenhalter des Formwerkzeugs durch Stauchung die Verkrallung aus.
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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 den Schnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 2 in einer perspektivischen Explosionsansicht eine elektrochemische Zelle aus dem Stand der Technik mit einer Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 3 eine Membran-Elektroden-Anordnung aus dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 4 einen Schnitt durch eine Membran-Elektroden-Anordnung einer elektrochemischen Zelle mit einer Rahmenstruktur, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
- 5 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Zelle 100 in Form einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Membran 2 auf, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Membran. Zu einer Seite der Membran 2 ist ein Kathodenraum 100a, zu der anderen Seite ein Anodenraum 100b ausgebildet.
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Im Kathodenraum 100a sind von der Membran 2 nach außen weisend - also in Normalenrichtung bzw. Stapelrichtung z - eine Elektrodenschicht 3, eine Diffusionslage 5 und eine Verteilerplatte 7 angeordnet. Analog sind im Anodenraum 100b von der Membran 2 nach außen weisend eine Elektrodenschicht 4, eine Diffusionslage 6 und eine Verteilerplatte 8 angeordnet.
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Die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4 bilden eine Membran-Elektroden-Anordnung 1. Optional können auch die beiden Diffusionslagen 5, 6 noch Bestandteil der Membran-Elektroden-Anordnung 1 sein. Optional können eine oder beide Diffusionslagen 5, 6 auch wegfallen, sofern die Verteilerplatten 7, 8 für ausreichend homogene Gaszuführungen sorgen können.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen Kanäle 11 für die Gaszufuhr - beispielsweise Luft im Kathodenraum 100a und Wasserstoff im Anodenraum 100b -zu den Diffusionslagen 5, 6 auf. Die Diffusionslagen 5, 6 bestehen typischerweise kanalseitig - also zu den Verteilerplatten 7, 8 hin - aus einem Kohlefaserflies und elektrodenseitig - also zu den Elektrodenschichten 3, 4 hin - aus einer mikroporösen Partikelschicht.
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Die Verteilerplatten 7, 8 weisen die Kanäle 11 und somit implizit auch an die Kanäle 11 angrenzende Stege 12 auf. Die Unterseiten dieser Stege 12 bilden demzufolge eine Kontaktfläche 13 der jeweiligen Verteilerplatte 7, 8 zu der darunterliegenden Diffusionslage 5, 6.
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Üblicherweise sind die kathodenseitige Verteilerplatte 7 einer elektrochemischen Zelle 100 und die anodenseitige Verteilerplatte 8 der dazu benachbarten elektrochemischen Zelle fest verbunden, beispielsweise durch Schweißverbindungen, und damit zu einer Bipolarplatte 20 zusammengefasst.
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2 zeigt schematisch die Anordnung einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 zwischen zwei Bipolarplatten 20 in perspektivischer Explosionsdarstellung. In 2 sind auch Verteileröffnungen 30 zu sehen, welche sowohl in der Membran-Elektroden-Anordnung 1 als auch in den Bipolarplatten 20 in Form von Ausnehmungen gebildet sind. Beim Übereinanderstapeln der elektrochemischen Zellen 100 bilden die Verteileröffnungen 30 dann Verteilerkanäle in Stapelrichtung z, von denen die einzelnen Kanäle 11 der gestapelten elektrochemischen Zellen 100 mit Medien versorgt werden. Vorteilhafterweise haben jede Membran-Elektroden-Anordnung 1 und jede Bipolarplatte 20 insgesamt sechs Verteileröffnungen 30, nämlich je einen Ein- und Auslass für die drei Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium.
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Für einen Zellenstapel, welcher aus mehreren - beispielsweise bis zu 500 - elektrochemischen Zellen 100 besteht, müssen also dementsprechend viele Membran-Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 alternierend gestapelt werden. Hierbei müssen die Bipolarplatten 20 und Membran-Elektroden-Anordnungen 1 positionsgenau aufeinander platziert werden, um die bestmögliche Überlappung der funktionellen Bereiche und damit die Funktion des gesamten Zellenstapels zu gewährleisten. Funktionelle Bereiche sind dabei beispielsweise die Kanäle 11 und Stege 12, oder aber auch die Verteileröffnungen 30 oder nicht dargestellte Dichtungen.
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Um beim Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen 1 und Bipolarplatten 20 zu einem Zellenstapel ein positionsgenaues Stapeln ohne Verrutschen zu gewährleisten, wird nun die Membran-Elektroden-Anordnung 1 an die Bipolarplatte 20 angeheftet. Dies kann direkt beim Stapeln der einzelnen Zellen 100 zu einem Zellenstapel erfolgen. Alternativ kann auch jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 mit einer Bipolarplatte 20 verbunden werden und anschließend die so entstandenen Zellen 100 zu einem Zellenstapel gestapelt, ausgerichtet und verpresst werden. Die Schreibweise „Zelle“ betrifft dann genau genommen nicht eine einzelne funktionsfähige elektrochemische Zelle 100, welche aus der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und je einer Hälfte von zwei Bipolarplatten 20 - also den beiden Verteilerplatten 7, 8 - besteht, sondern eben die Verbindung einer ganzen Bipolarplatte 20 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 1.
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3 zeigt eine Membran-Elektroden-Anordnung 1 in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist in ihrer Mitte eine aktive Fläche 15 auf. Hier sind zumindest die Membran 2 und die beiden Elektrodenschichten 3, 4- optional auch noch die beiden Diffusionslagen 5, 6 - angeordnet. Die aktive Fläche 15 wirkt in den elektrochemischen Zellen 100 dann mit den Kanälen 11 und Stegen 12 der Verteilerplatten 7, 8 bzw. der Bipolarplatten 20 zusammen. Die aktive Fläche 15 ist von einer Rahmenstruktur 16 eingefasst, in vorliegender Ausführung ist die Rahmenstruktur 16 die aktive Fläche 15 über den gesamten Umfang umgebend ausgeführt. In der Rahmenstruktur 16 sind die Verteileröffnungen 30 für die Medien Anodengas, Kathodengas und Kühlmedium ausgebildet.
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4 zeigt in einem Vertikalschnitt die Membran-Elektroden-Anordnung 1 einer elektrochemischen Zelle 100, insbesondere einer Brennstoffzelle, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 weist die Membran 2, beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM), und die zwei porösen Elektrodenschichten 3 bzw. 4 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektrodenschichten 3 bzw. 4 jeweils an eine Seite der Membran 2 angeordnet sind. Weiter weist die elektrochemische Zelle 100 die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 auf, welche je nach Ausführung auch zur Membran-Elektroden-Anordnung 1 gehören können.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 1 ist an ihrem Umfang von der Rahmenstruktur 16 umgeben, hier spricht man auch von einem Subgasket. Die Rahmenstruktur 16 dient der Steifigkeit und der Dichtheit der Membran-Elektroden-Anordnung 1 und ist ein nicht-aktiver Bereich der elektrochemischen Zelle 100.
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Die Rahmenstruktur 16 ist im Schnitt insbesondere U-förmig bzw. Y-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine erste Folie 161 aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch eine zweite Folie 162 aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist. Zusätzlich sind die erste Folie 161 und die zweite Folie 162 mittels eines Klebemittels 163 aus einem dritten Werkstoff W3 zusammengeklebt. Häufig sind der erste Werkstoff W1 und der zweite Werkstoff W2 identisch und aus thermoplastischem Polymer, beispielsweise aus PEN (Polyethylennaphthalat) ausgeführt.
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Die beiden Diffusionslagen 5 bzw. 6 sind quasi in die Rahmenstruktur 16 eingelegt, üblicherweise so, dass sie über der aktiven Fläche der elektrochemischen Zelle 100 mit je einer Elektrodenschicht 3, 4 in Kontakt sind.
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Erfindungsgemäß weist nun die Rahmenstruktur 16 ein Positioniermerkmal 166 auf, welches so gestaltet ist, dass es mit der Bipolarplatte 20 derart zusammenwirken kann, dass ein Verrutschen der Membran-Elektroden-Anordnung 1 zu der Bipolarplatte 20 - insbesondere quer zur Stapelrichtung z - unterbunden wird. Bevorzugt ist das Positioniermerkmal 166 in einem Außenbereich 165 der Rahmenstruktur 16 ausgebildet, das heißt in einem Bereich der Rahmenstruktur 16, in dem - in Stapelrichtung z betrachtet - nur noch die beiden Folien 161, 162 und das Klebemittel 163 vorhanden sind, also die Rahmenstruktur 16 die Membran 2 nicht mehr umschließt.
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In der Ausführung der 4 ist das Positioniermerkmal 166 als Vertiefung ausgeführt, so dass sich eine Kontaktfläche 167 ergibt, die mit der Bipolarplatte 20, beispielsweise mit einer Bohrung bzw. Ausnehmung in der Bipolarplatte 20 zusammenwirken kann. Die Kontaktfläche 167 hat dazu einen zumindest projizierten Anteil in der Stapelrichtung z, so dass sie eben Kräfte quer zur Stapelrichtung z aufnehmen kann. Besonders bevorzugt ist das Positioniermerkmal 166 als zylindrische Vertiefung in Stapelrichtung z ausgeführt, so dass die zylindrische Fläche des Positioniermerkmals mit der Bohrung in der Bipolarplatte 20 zusammenwirken kann.
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5 zeigt dazu in einem Vertikalschnitt einen Ausschnitt einer elektrochemischen Zelle 100 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 1 und einer Bipolarplatte 20, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Gezeigt ist die Rahmenstruktur 16 in ihrem Außenbereich 165, die Membran ist außerhalb des Ausschnitts der 5.
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In der Rahmenstruktur 16 ist das Positioniermerkmal 166 als Vertiefung ausgebildet, so dass es die Kontaktfläche 167 aufweist. In der Bipolarplatte 20 ist eine dazu korrespondierende Ausnehmung 21 als Bohrung ausgebildet. Das Positioniermerkmal 166 ragt durch die Bohrung 21, so dass es mit der Bipolarplatte 20 eine formschlüssige Verbindung quer zur Stapelrichtung z bildet. Bevorzugt ragt das Positioniermerkmal 166 dabei passgenau durch die Ausnehmung 21.
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Je nach Aufbau der Bipolarplatte 20 kann eine Ausnehmung 21 in jeder der beiden Verteilerplatten 7, 8 ausgebildet sein. In der 5 ist dazu beispielhaft eine Ausnehmung 21a in der kathodenseitigen Verteilerplatte 7 und eine Ausnehmung 21b in der anodenseitigen Verteilerplatte 8 dargestellt; das Positioniermerkmal 166 ragt durch beide als Bohrungen ausgeführte Ausnehmungen 21a, 21b. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass nur eine der beiden Verteilerplatten 7, 8 eine Ausnehmung 21 zum Zusammenwirken mit dem Positioniermerkmal 166 aufweist.
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Bevorzugt weist das Positioniermerkmal 166 eine Verkrallung 168 bzw. einen Hinterschnitt zu der Bipolarplatte 20 in Stapelrichtung z auf. Dadurch ist die Membran-Elektroden-Anordnung 1 fest mit der Bipolarplatte 20 verbunden - also auch in Stapelrichtung z -, so dass dieser Verbund sehr robust bei beispielsweise Transportprozessen ist.
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In der 5 ist weiterhin ein Formwerkzeug 40 zum Formen des Positioniermerkmals 166 gezeigt. Das Formwerkzeug 40 ist in dieser Ausführung zweiteilig ausgeführt, mit einem Umformstempel 41 und einem Gegenhalter 42. Bevorzugt ist der Umformstempel 41 dabei als Heißstempel ausgeführt. Bevorzugt ist die Rahmenstruktur 16 aus polymeren Materialien gebildet, welche mittels Heißstempel auf einfache Weise sehr große Umformgrade erfahren können; das Positioniermerkmal 166 kann demzufolge eine Geometrie aufweisen, welche stark von der üblicherweise planaren Geometrie des Außenbereichs 165 der Rahmenstruktur 16 abweicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015218117 A1 [0002]
