Titel

Folie für ein Foliensystem, Folien-MEA System mit Foliensystem, Brennstoffzellenstapel mit Folien-MEA System sowie Verfahren zum Herstellen eines Folien-MEA Systems

Stand der Technik

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.

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 Kathoden platte 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.

Um das Stapeln von MEA und Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel zu vereinfachen, können die Bipolarplatten und die zwischen den Bipolarplatten angeordneten Folien mittels einer Vorrichtung mit mechanischen Anschlägen gestapelt werden. Aufgrund dieser seitlich angeordneten mechanischen Anschläge können die Folien nicht über den Rand der Bipolarplatte stehen. Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Isolationsfolien oder aufgrund ungenauer Positionierung der Isolationsfolien besteht daher die Gefahr, dass ein elektrischer Kurzschluss an diesen Stellen zwischen benachbarten Bipolarplatten auftritt. Weiter können Bipolarplatten ungewollte Verbiegungen aufweisen, sich während eines Stapelvorganges oder beim Verspannen eines Brennstoffzellenstapels verbiegen, sodass auch hier die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses gegeben ist. Bei einer maschinellen Herstellung eines Brennstoffzellenstapels können auch optische Messverfahren eingesetzt werden. Diese sind jedoch teuer in der Anschaffung und Inbetriebnahme. Ferner ist das Stapeln von MEA und Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel mit optischen Messverfahren zeitintensiv.

Aus der DE202017107797U1 ist ein elektrochemisches System mit zwei Separatorplatten und Fixierelementen zum Fixieren der Separatorplatten bekannt. Nachteiligerweise ist das Positionieren eines Rahmenabschnitts der Membran zwischen zwei Separatorplatten nur ungenau möglich, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten auftreten kann. Weiter ist das Anordnen der Membran mit dem Rahmenabschnitt sehr zeitintensiv.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Folie gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Folien-MEA System gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8, einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.

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.

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 ist in der Folie zumindest eine stapelbare Verformung ausgebildet.

Mit dem Ausdruck „im Wesentlichen“, wie im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung, kann ausgedrückt werden, dass geringfügige Abweichungen, bspw. aufgrund von Fertigungstoleranzen, von der Erfindung mit eingeschlossen sind.

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. 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- Elektrodeneinheit besonders vorteilhaft angeordnet werden kann.

Als die zumindest eine stapelbare Verformung der erfindungsgemäßen Folie kann eine stapelbare Verformung verstanden werden, die dazu ausgebildet ist ein Element mit einer stapelbaren Verformung, insbesondere eine weitere erfindungsgemäße Folie mit derselben stapelbaren Verformung, derart aufzunehmen, dass die erfindungsgemäße Folie und das Element sich flächig kontaktieren. Als Element kann auch eine Bipolarplatte mit einer entsprechend ausgebildeten und angeordneten stapelbaren Bipolarplatten-Verformung verstanden werden. Mit anderen Worten kann sich die erfindungsgemäße Folie und das Element einerseits an der stapelbaren Verformung flächig kontaktieren, aber auch andererseits außerhalb der stapelbaren Verformung flächig kontaktieren. Vorteilhafterweise kann somit sichergestellt werden, dass der Brennstoffzellenstapel trotz der stapelbaren Verformungen weiter besonders vorteilhaft betrieben werden kann. Die Bipolarplatten und die Folien-MEA Systeme mit den Membran- Elektroden- Einheiten können besonders genau zueinander positioniert werden und sich weiter besonders vorteilhaft kontaktieren. Ferner kann somit auch ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden. Für ein flächiges Kontaktieren kann die Dicke der zumindest einen stapelbaren Verformung der Folie geringer sein als die Dicke der Folie außerhalb der stapelbaren Verformung. Dies kann bspw. aufgrund eines Laminierprozesses gegeben sein. Außerdem kann für ein flächiges Kontaktieren auch die Dicke der zumindest einen stapelbaren Bipolarplatten-Verformung der Bipolarplatte geringer sein als die Dicke der Bipolarplatte außerhalb der stapelbaren Bipolarplatten-Verformung.

Die zumindest eine stapelbare Verformung in der Folie kann durch einen Laminierprozess ausgebildet werden. Es ist auch denkbar, dass die zumindest eine stapelbare Verformung in der Folie durch einen Heißprägeprozess bzw. durch einen Warmumformprozess, d. h. unter Ausübung von Druck und Wärme, in der Folie ausgebildet wird. Somit kann besonders einfach und schnell die zumindest eine stapelbare Verformung in der Folie ausgebildet werden. Weiter kann somit die zumindest eine stapelbare Verformung 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 kann. Ferner kann somit auch ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden. Mit der erfindungsgemäßen Folie bzw. dem erfindungsgemäßen Folien-MEA System kann somit auf besonders einfache und schnelle Weise ein Stapeln der Bipolarplatten und des Folien-MEA Systems zu dem Brennstoffzellenstapel mit den abwechselnd übereinander angeordneten Bipolarplatten und Folien-MEA System erfolgen. Bspw. kann ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System eine stapelbare Verformung aufweisen und eine Bipolarplatte ebenfalls eine entsprechende stapelbare Bipolarplatten-Verformung aufweisen. Die Bipolarplatte ist auf den Brennstoffzellenstapel angeordnet worden. Erfindungsgemäß kann nun das erfindungsgemäße Folien-MEA System mit der entsprechenden stapelbaren Verformung auf die Bipolarplatte gelegt werden. Aufgrund der stapelbaren Verformung des Folien-MEA System und der entsprechenden stapelbaren Bipolarplatten-Verformung der Bipolarplatte kann sich das Folien-MEA System eigenständig positionieren. Mit dem Ausdruck „entsprechenden stapelbaren Bipolarplatten-Verformung“ soll hier ausgedrückt werden, dass die Position der stapelbaren Verformung des Folien-MEA Systems und die entsprechende stapelbare Bipolarplatten-Verformung in der jeweiligen Folie in der Position derart übereinstimmen sollen, dass ein Brennstoffzellenstapel betrieben, insbesondere optimal betrieben, werden kann. Dabei muss das Folien-MEA System nicht exakt auf die Bipolarplatte gelegt werden, sondern eine grobe Ausrichtung kann bereits ausreichend sein. Durch die stapelbare Bipolarplatten-Verformung der Bipolarplatte kann das Folien-MEA Systems mit der stapelbaren Verformung auf das Folien-MEA System rutschenartig gleiten und sich eigenständig positionieren. Vorteilhafterweise kann somit eine verbesserte Anordnung von Bipolarplatten und Folien-MEA Systemen erreicht werden und die Leistung des Brennstoffzellenstapels besonders hoch sein. Teure Stapelvorrichtungen, die optische Messverfahren einsetzen, können entfallen. Ferner kann das Anordnen von Bipolarplatten und Folien-MEA Systemen zu dem Brennstoffzellenstapel besonders schnell und einfach erfolgen. Da für das Stapeln seitlich angeordnete mechanische Anschläge entfallen können, kann zumindest eine der beiden Folien des Foliensystems des Folien-MEA Systems über eine Kante der Bipolarplatten, bevorzugterweise dem Rand der Bipolarplatten, stehen bzw. ragen. Somit kann ein Kurzschluss zwischen zwei Bipolarplatten, insbesondere am Rand der Bipolarplatten, besonders vorteilhaft vermieden werden. Vorteilhafterweise kann eine erfindungsgemäße Folie zumindest ein laminierbares Material aufweisen. 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 gemeint ist, 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 zumindest eine stapelbare Verformung ihre Form beibehält und ein Stapeln der Bipolarplatten und des Folien-MEA Systems zu dem Brennstoffzellestapel kann besonders schnell und genau erfolgen. Ferner kann somit auch ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemäße Folie zur elektrischen Trennung der zwei benachbarten Bipolarplatten in dem inaktiven Bereich der Brennstoffzelle elektrisch isolierend ausgebildet ist. 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.

Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Folie die zumindest eine stapelbare Verformung in eine Erstreckungsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Folie erstreckt sein. Zur Bereitstellung der Folie kann die Folie auf einer Spule aufgewickelt sein. Die Folie kann von der Spule abgewickelt werden, sodass die Folie in einer Ebene liegt. Die Längsrichtung der Folie kann als eine Richtung entlang der Ebene der Folie verstanden werden. Mit dem Ausdruck, dass sich die zumindest eine stapelbare Verformung in eine Erstreckungsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Folie erstreckt, kann gemeint sein, dass sich die zumindest eine stapelbare Verformung aus der Ebene der Folie heraushebt. Somit kann an die erfindungsgemäße Folie mit der zumindest einen stapelbaren Verformung besonders einfach eine weitere erfindungsgemäße Folie mit ebenfalls zumindest einer entsprechend angeordneten stapelbaren Verformung angeordnet werden. Mit dem Ausdruck „entsprechend angeordnet“ soll hier ausgedrückt werden, dass die Position der zumindest einen stapelbaren Verformung bzw. der zumindest einen entsprechend angeordneten stapelbaren Verformung in der jeweiligen Folie übereinstimmen sollen, sodass die Membran-Elektroden-Einheit des Folien-MEA Systems zwischen den beiden Folien, insbesondere in einer Ausnehmung, angeordnet werden kann. Vorteilhafterweise kann somit eine besonders gute Anordnung von Bipolarplatten und Folien-MEA Systemen erreicht werden und die Leistung des Brennstoffzellenstapels besonders hoch sein. Weiter können Kurzschlüsse zwischen benachbarten Bipolarplatten besonders sicher verhindert werden. Ferner kann das Anordnen von Bipolarplatten und Folien-MEA Systemen zu dem Brennstoffzellenstapel besonders schnell und einfach erfolgen. Zumindest eine der beiden Folien des Foliensystems des Folien-MEA Systems kann über eine Kante der Bipolarplatten, bevorzugterweise dem Rand der Bipolarplatten, hinausstehen. Somit kann ein Kurzschluss zwischen zwei Bipolarplatten besonders vorteilhaft vermieden werden.

Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Folie die Querschnittsfläche der zumindest einen stapelbaren Verformung in einer Richtung weg von der Folie entlang der Erstreckungsrichtung abnehmen. Die zumindest eine stapelbare Verformung kann somit besonders vorteilhaft stapelbar sein. Dadurch, dass die Querschnittsfläche der zumindest einen stapelbaren Verformung in der Richtung weg von der Folie entlang der Erstreckungsrichtung abnimmt, kann die zweite Folie des stapelbaren Foliensystems des Folien-MEA Systems dieselbe stapelbare Verformung aufweisen. Somit ist es möglich für Foliensysteme der Folien-MEA Systeme des Brennstoffzellenstapels gleiche, insbesondere identische, erfindungsgemäße Folien zu verwenden. Weiter kann damit besonders vorteilhaft gewährleistet werden, dass sich die zwei aneinander angeordneten Folien des stapelbaren Foliensystems des Folien-MEA Systems einerseits an der stapelbaren Verformung flächig kontaktieren können, aber auch andererseits außerhalb der stapelbaren Verformung flächig kontaktieren können. Vorteilhafterweise kann die zumindest eine Verformung in einem Vertikalschnitt und/oder in einem Querschnitt eine der folgenden Flächenformen aufweisen:

- eine Parabel-, Hyperbel- oder Ellipsenschnittfläche,

- eine Kreissegmentfläche, insbesondere eine Halbkreisfläche,

- eine Vielecksschnittfläche, insbesondere eine Dreiecksfläche oder Vierecksfläche.

Insbesondere kann die zumindest eine stapelbare Verformung in der Richtung weg von der Folie entlang der Erstreckungsrichtung spitz zulaufen, insbesondere kann diese kegelförmig ausgebildet sein. Die zumindest eine stapelbare Verformung kann auch kuppelförmig oder pyramidenförmig ausgebildet sein. Verformungen, bei denen auch die Rotationsfreiheit um die Erstreckungsrichtung nicht gegeben ist, bspw. die pyramidenförmige Verformung, können besonders vorteilhaft sein. Hier kann bereits eine in der Folie ausgebildete Verformung für eine besonders genaue Ausrichtung zweier Folien zueinander ausreichend sein. Ferner können die Tangenten an der Mantelfläche der zumindest einen Verformung mit der Ebene der Folie einen Winkel zwischen 0° und 85° einschließen. Somit kann besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass die Verformung stapelbar ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können in einer Folie zumindest zwei stapelbare Verformungen ausgebildet sein. Somit können die zwei aneinander angeordneten Folien des stapelbaren Foliensystems besonders genau zueinander positioniert werden und eine Membran- Elektroden Einheit besonders einfach und genau zwischen den beiden Folien angeordnet werden. Auch das übereinander Anordnen von Bipolarplatten und Folien-MEA Systemen kann dadurch besonders akkurat erfolgen und der Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft betrieben werden. Durch die zumindest zwei stapelbaren Verformungen kann auch ein Verrutschen oder ein Verdrehen, bspw. zweier übereinander angeordneter erfindungsgemäßer Folien, verbessert verhindert werden. Durch drei stapelbare Verformungen kann ein Verrutschen oder ein Verdrehen, bspw. zweier übereinander angeordneter erfindungsgemäßer Folien, besonders vorteilhaft verhindert werden. Die zumindest zwei stapelbaren Verformungen können jeweils eine unterschiedliche Form aufweisen. Es ist auch denkbar, dass die zumindest zwei stapelbaren Verformungen die gleiche Form aufweisen.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Folie die zumindest zwei stapelbaren Verformungen jeweils im Bereich einer Kante oder im Bereich einer Ecke der Folie ausgebildet sind, wobei sich insbesondere die zumindest zwei stapelbaren Verformungen gegenüberliegen. Der Ausdruck „im Bereich einer Kante“ kann als „nahe bei einer Kante“ verstanden werden. Weiter kann auch der Ausdruck „im Bereich einer Ecke“ als „nahe bei einer Ecke“ verstanden werden. Die erfindungsgemäße Folie kann die Abmessungen, insbesondere im Wesentlichen die Abmessungen, der Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels aufweisen. Die erfindungsgemäße Folie kann, wie bereits erwähnt, zusätzlich Ausnehmungen, bspw. zur Aufnahme der Membran- Elektroden Einheit oder für die Ports der Bipolarplatte, aufweisen. Vorteilhafterweise kann die Folie bzw. das Foliensystem über eine Kante der Bipolarplatte überstehen. Als Kante der Bipolarplatte bzw. der Folie bzw. des Foliensystems kann eine Begrenzung einer Fläche der Bipolarplatte bzw. der Folie bzw. des Foliensystems verstanden werden. Als Kante der Bipolarplatte bzw. der Folie bzw. des Foliensystems kann ein Rand, insbesondere der die Bipolarplatte bzw. die Folie bzw. das Foliensystem begrenzende Rand, verstanden. Ferner kann die Kante der Bipolarplatte bzw. der Folie bzw. des Foliensystems ein Portrand sein, welcher einen sogenannten Port umrandet bzw. umschließt. Als Ports können Öffnungen in der Bipolarplatte bzw. der Folie bzw. des Foliensystems verstanden werden, welche in dem Brennstoffzellenstapel Führungskanäle zur Führung von Fluiden, wie Kathodengas, Anodengas und Kühlfluid, zu bzw. von den übereinander angeordneten Bipolarplatten bilden. Durch das Überstehen der Folie bzw. des Foliensystems an den Kanten der Bipolarplatte kann ein Kurzschluss zwischen benachbarten Bipolarplatten besonders vorteilhaft verhindert werden. Vorteilhafterweise sind an einem äußeren, den die Bipolarplatte begrenzenden Rand der Bipolarplatte keine Kanäle zum Führen von einem Fluid, wie z. B. Kathodengas, Anodengas und/oder Kühlfluid. Vorzugsweise befindet sich somit die zumindest eine stapelbare Verformung der erfindungsgemäßen Folie bzw. der stapelbaren Verformung des Folien-MEA Systems bzw. der stapelbaren Verformung der Bipolarplatte der Brennstoffzelle an dem jeweiligen begrenzenden Rand. Dadurch kann gewährleistet werden, dass eine Funktion des Brennstoffzellenstapels durch die jeweiligen stapelbaren Verformungen nicht beeinträchtigt ist. Die zumindest zwei stapelbaren Verformungen können besonders einfach jeweils in eine Ecke der Folie ausgebildet sein, insbesondere in gegenüberliegenden Ecken. Ganz vorteilhafterweise können die zumindest zwei stapelbaren Verformungen in sich schräg gegenüberliegenden Ecken ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die zumindest zwei stapelbaren Verformungen im Bereich von zwei sich gegenüberliegenden Längsseiten der Folie oder zwei sich gegenüberliegenden Querseiten der Folie ausgebildet sind. Somit kann ein Verrutschen oder ein Verdrehen, bspw. zweier übereinander angeordneter erfindungsgemäßer Folien, besonders vorteilhaft verhindert werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Folien-MEA System zum Anordnen zwischen zwei Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Folien-MEA System ein stapelbares Foliensystem mit zwei aneinander angeordneten erfindungsgemäßen Folien aufweist. Ferner weist das Folien-MEA System eine Membran- Elektroden- Einheit, die zumindest teilweise zwischen den beiden Folien angeordnet ist, auf.

Im Sinne der Erfindung kann an den beiden Enden des Brennstoffzellenstapels eine Bipolarplatte auch als Monopolarplatte verstanden werden. Ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System kann somit auch zwischen einer Monopolarplatte und einer Bipolarplatte angeordnet sein.

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 teilweise 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. Vorteilhafterweise ist die zumindest eine stapelbare Verformung der beiden Folien dort angeordnet, wo die Membran-Elektroden- Einheit nicht zwischen den beiden Folien angeordnet ist. Somit kann eine besonders vorteilhaft stapelbare Verformung ausgebildet werden.

Die zwei aneinander angeordneten erfindungsgemäßen Folien können deckungsgleich sein. Mit anderen Worten können die Folien identisch sein. Damit kann gemeint sein, 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, dass die Folie länger und/oder breiter ist. Insbesondere weisen weiter die beiden Folien die gleiche zumindest eine stapelbare Verformung an derselben Position auf, insbesondere derart an der derselben Position, dass Ausnehmungen der beiden Folien fluchtend übereinander liegen. Somit kann besonders einfach das stapelbare Foliensystem geschaffen werden.

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. Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Bipolarplatten, wobei zwischen den zwei Bipolarplatten ein erfindungsgemäßes Folien-MEA System angeordnet ist.

Mit dem erfindungsgemäßes Folien-MEA System kann der Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft betrieben werden beziehungsweise hergestellt werden. Die Bipolarplatten und die Folien-MEA Systeme mit den Membran-Elektroden-Einheiten können besonders genau zueinander positioniert werden und sich weiter besonders vorteilhaft kontaktieren. Somit kann ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft vermieden werden. Außerdem kann das Stapeln der Bipolarplatten und der Folien-MEA Systeme zu dem Brennstoffzellenstapel besonders schnell erfolgen.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in den zwei Bipolarplatten entsprechend der zumindest einen stapelbaren Verformung des Foliensystems des Folien-MEA Systems zumindest eine stapelbare Bipolarplatten-Verformung ausgebildet ist. Somit kann das Stapeln der Bipolarplatten und des Folien-MEA Systems besonders akkurat und schnell erfolgen. Unter dem Ausdruck „entsprechenden stapelbaren Bipolarplatten-Verformung“ kann verstanden werden, dass die Position der stapelbaren Verformung des Folien-MEA Systems und die entsprechende stapelbare Bipolarplatten-Verformung in der jeweiligen Folie in der Position derart übereinstimmen sollen, dass ein Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft betrieben werden kann.

Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel wenigstens eine der beiden Folien des Foliensystems zumindest teilweise über jeweils wenigstens eine Kante der zwei Bipolarplatten stehen. Somit kann ein Kurzschluss zwischen den zwei Bipolarplatten besonders vorteilhaft verhindert werden. Insbesondere kann das stapelbare Foliensystem über den jeweiligen äußeren Rand der Bipolarplatten überstehen. Vorteilhafterweise kann das stapelbare Foliensystem auch über die Portränder überstehen. Mit anderen Worten kann das stapelbare Foliensystem in den Port hineinstehen. 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.

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) Prägen, Umformen und/oder Laminieren der ersten Folie, der Membran- Elektroden- Einheit und der zweiten Folie zu dem Folien-MEA System mit dem stapelbaren Foliensystem.

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 geprägt, umgeformt und/oder laminiert werden. Das Prägen und das Umformen kann beispielsweise durch einen Heißprägeprozess bzw. durch einen Warmumformprozess erfolgen.

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 zumindest eine stapelbare Verformung ausgebildet wird, beispielsweise durch einen Heißprägeprozess bzw. durch einen Warmumformprozess. Somit kann das Anordnen der zwei erfindungsgemäßen Folien aneinander besonders akkurat und schnell erfolgen.

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.

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.

Es zeigen schematisch: Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäßen Folie einer Ausführungsform,

Fig. 2 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Folie,

Fig. 3 in einer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folien-MEA Systems,

Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Ausführungsform,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht einen Vertikalschnitt durch den Teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in der in Figur 4 illustrierten Ausführungsform,

Fig. 6 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, und

Fig. 7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Folien-MEA Systems.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Teil einer erfindungsgemäßen Folie 1 einer Ausführungsform. In der Folie 1 ist eine stapelbare Verformung 10 ausgebildet. Die stapelbare Verformung 10 ist in eine Erstreckungsrichtung ER senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung LR der Folie 1 erstreckt. Die Querschnittsfläche der stapelbaren Verformung 10 nimmt in einer Richtung weg von der Folie 1 entlang der Erstreckungsrichtung ER ab. Beispielhaft läuft die stapelbare Verformung 10 in Figur 1 spitz zu, insbesondere ist diese hier kegelförmig ausgebildet.

Figur 2 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen rahmenförmigen Folie 1. Die Folie 1 weist für eine Membran-Elektroden-Einheit 120 eine viereckige Ausnehmung 5 auf. Weiter umfasst die Folie 1 sechs viereckige Ausnehmungen 4 für die Ports einer Bipolarplatte 110. Ferner sind in zwei sich gegenüberliegenden Ecken 13a, 13b, insbesondere im Bereich der Ecken 13, jeweils eine stapelbare Verformung 10a bzw. 10b ausgebildet. Diese erstrecken sich in eine Erstreckungsrichtung ER senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung LR der Folie 1. Es ist auch denkbar, dass die zwei stapelbaren Verformungen 10a, 10b an einer Kante 12a bzw. an einer Kante 12b ausgebildet sind. Die Kante 12a stellt dabei einen äußeren Rand der Folie 1 und die Kante 12b eine Portrand dar.

Figur 3 zeigt in einer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folien-MEA Systems 40. Das Folien-MEA System 40 umfasst ein stapelbares Foliensystem 20 mit zwei aneinander und übereinander angeordneten Folien la, lb. Die beiden Folien la, lb sind derart durch ihre jeweilige stapelbare Verformung 10a, 10b aneinander angeordnet, dass jeweilige Ausnehmungen 5a bzw. 5b fluchtend Übereinanderliegen. Somit ist gewährleistet, dass eine Membran-Elektroden-Einheit 120 zwischen den beiden Folien la, lb besonders vorteilhaft angeordnet werden kann. Die Membran-Elektroden-Einheit 120 ist in Figur 3 durch die kontinuierlichen Linien und die gestrichelten Linien dargestellt, wobei ferner ein umlaufender Rand der Membran-Elektroden-Einheit 120 zwischen den beiden Folien la, lb angeordnet ist. Die stapelbaren Verformungen 10a, 10b erstrecken sich in eine Erstreckungsrichtung ER senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung LR der Folie 1. Beispielhaft sind die stapelbaren Verformungen 10a, 10b pyramidenförmig ausgebildet. Eine derartiges Folien-MEA System 40, das auf eine Bipolarplatte 110 mit einer entsprechend angeordneten und ausgebildeten pyramidenförmigen Bipolarplatten-Verformung 111 gelegt wird, kann besonders vorteilhaft auf einfache Weise die Anordnung und Positionierung zueinander ermöglichen. Ferner kann bereits eine einzige solche pyramidenförmige Verformung 10 in den Elementen des Brennstoffzellenstapels 200 ausreichend sein. Die pyramidenförmige Verformung 10 bzw. 111 kann bereits ein Verdrehen und Verrutschen zweier übereinander angeordneter Elemente verhindern.

Figur 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 200 in einer Ausführungsform. In Figur 4 sind Bipolarplatten 110 und Folien-MEA Systeme 40 abwechselnd übereinander angeordnet, wobei hier insbesondere die stapelbaren Foliensysteme 20 der Folien-MEA System 40 mit den stapelbaren Verformungen 10 dargestellt sind. Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Vertikalschnitt durch den Teil des erfindungsgemäßen

Brennstoffzellenstapels 200 in der in Figur 4 illustrierten Ausführungsform. Man kann hier erkennen, dass sich die Foliensystem 20 und die Bipolarplatten 110 einerseits an den stapelbaren Verformung 10 bzw. 111 flächig kontaktieren, aber auch andererseits außerhalb der stapelbaren Verformungen 10 bzw. 111 flächig kontaktieren. Vorteilhafterweise kann somit sichergestellt werden, dass der Brennstoffzellenstapel 200 trotz der stapelbaren Verformungen weiter besonders vorteilhaft betrieben werden kann. Die Bipolarplatten 110 und die Folien-MEA Systeme 40 mit den Membran- Elektroden- Einheiten 120 können daher besonders genau zueinander positioniert werden und sich weiter besonders vorteilhaft kontaktieren.

Figur 6 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 200. Der Einfachheit halber sind nur eine Bipolarplatte 110 und ein Folien-MEA System 40 dargestellt. Die Bipolarplatte 110 ist durch die beiden linierten Bereiche dargestellt. Wobei der innere linierte Bereich einen aktiven Bereich der Bipolarplatte 110 bzw. des Brennstoffzellenstapels 200 darstellt. Der äußere linierte Bereich stellt den inaktiven Bereich 102 der Bipolarplatte 110 dar. Die Bipolarplatte 110 ist über dem Folien-MEA System 40 angeordnet. In Figur 6 kann man erkennen, dass das stapelbare Foliensystem 20 über den äußeren Rand 112a der Bipolarplatte 110 übersteht. Weiter ist in Figur 6 dargestellt, dass das stapelbare Foliensystem 20 auch über die Portränder 112b der Bipolarplatte 110 übersteht bzw. in die Portränder 112b hineinsteht. Somit kann besonders vorteilhaft ein Kurzschluss zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 110 verhindert werden. Außerdem ist in Figur 6 in einem inaktiven Bereich 102 jeweils eine stapelbare Verformung 10 bzw. jeweils eine stapelbare Bipolarplatten-Verformung 110 im Bereich von zwei sich gegenüberliegenden Längsseiten ausgebildet. Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Herstellen eines Folien-MEA Systems 40. In einem ersten Schritt wird eine erfindungsgemäße Folie la bereitgestellt 302. Ist die Folie la auf einer Spule aufgewickelt, kann diese anschließend in einem zusätzlichen Schritt zugeschnitten werden. Danach wird eine Membran- Elektroden- Einheit 120 mit einer ersten Seite an die erste Folie la angeordnet 306. In einem nächsten

Schritt wird die zweite Folie lb an die der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Membran-Elektroden-Einheit 120 angeordnet 308. In dem darauffolgenden Schritt wird die erste Folie la, die zweite Folie 2a und die zwischen den beiden Folien la, lb angeordnete Membran- Elektroden- Einheit 120 zu dem erfindungsgemäßen Folien-MEA System 40 geprägt, umgeformt und/oder laminiert.