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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte, eine zweite Monopolarplatte, einen Port, eine aktive Fläche und ein Führungs- und Stützelement mit Durchführungen zur Durchführung von mindestens einem Medium. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle umfassend die Bipolarplatte.
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Stand der Technik
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Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
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Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttokathodenreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen.
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Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
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Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur MEA.
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Beispielsweise umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen das Kühlmedium fließen kann.
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Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.
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Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.
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Elektrochemische Zellen in einem Stapel werden häufig über senkrecht zur Membran der elektrochemischen Zelle angeordnete Medienkanäle mit den Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt, beziehungsweise werden diese abgeführt. Die Medienkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden, mit den elektrochemischen Zellen, insbesondere mit den Bipolarplatten, fluidisch verbunden. Die Medienkanäle liegen üblicherweise am Rand des Stapels und werden häufig durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das sogenannte Flowfield (Gasverteiler), die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der MEA, geführt.
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Insbesondere die zur MEA zeigenden Port-Durchführungen für Luft beziehungsweise Wasserstoff sind derart zu gestalten, dass die Port-Durchführungen einerseits eine möglichst große Öffnung für die einströmenden und ausströmenden Medien bereitstellen und andererseits eine möglichst gute mechanische Stützwirkung für auf der Gegenseite der MEA angeordnete Dichtungen bieten.
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DE 10158772 C1 und
DE 10248531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend mindestens eine erste Monopolarplatte, eine zweite Monopolarplatte, einen Port, eine aktive Fläche und ein Führungs- und Stützelement mit Durchführungen zur Durchführung von mindestens einem Medium, wobei das Führungs- und Stützelement durch mehrere Erhebungen der ersten Monopolarplatte oder der zweiten Monopolarplatte gebildet wird und die Durchführungen jeweils zwischen den Erhebungen vorliegen. Ferner wird eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, umfassend die Bipolarplatte und eine Membran-Elektroden-Anordnung, wobei das Führungs- und Stützelement auf einer Seite der ersten Monopolarplatte oder der zweiten Monopolarplatte angeordnet ist, die zu der Membran-Elektroden-Anordnung zeigt oder die zu der jeweils anderen Monopolarplatte zeigt.
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Die elektrochemische Zelle, die bevorzugt eine Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur ist, umfasst bevorzugt mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, gegebenenfalls mindestens eine Gasdiffusionslage und mindestens eine Membran bzw. Membran-Elektroden-Anordnung. Insbesondere ist jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Weiterhin kann die elektrochemische Zelle mindestens eine Dichtung aufweisen, die den mindestens einen Port und die aktive Fläche umgibt.
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Der Port kann ein Einlass oder ein Auslass sein und die Bipolarplatte kann mehr als einen Port umfassen. Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt Kohlenstoff wie Graphit, ein Metall wie Edelstahl oder Titan und/oder eine Legierung enthaltend das Metall. Weiter bevorzugt ist die Bipolarplatte aus Kohlenstoff, dem Metall und/oder der Legierung aufgebaut.
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Das mindestens eine Medium umfasst bevorzugt Wasserstoff, Luft beziehungsweise Sauerstoff, Wasser und/oder ein Kühlmedium, weiter bevorzugt umfasst das mindestens eine Medium das Kühlmedium, Wasserstoff oder ein Gemisch enthaltend Sauerstoff und/oder Wasser.
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Das Führungs- und Stützelement ist bevorzugt zwischen dem Port und der aktiven Fläche angeordnet. Insbesondere stellt das Führungs- und Stützelement eine fluidische Verbindung zwischen dem Port und der aktiven Fläche dar. Die Funktion des Führungs- und Stützelements ist neben der Fluid- oder Medienführung gleichzeitig die mechanische Abstützung der Dichtung, insbesondere auf der gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Anordnung. Zwischen dem Port und der aktiven Fläche, insbesondere zwischen dem Führungs- und Stützelement und der aktiven Fläche, kann sich zusätzlich eine Verteilerstruktur befinden.
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Die Erhebungen können auch als Ausstülpungen bezeichnet werden und werden bevorzugt aus umgeformten Teilen der ersten Monopolarplatte oder der zweiten Monopolarplatte, zum Beispiel durch Prägen, gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die Erhebungen Rippen. Unter Rippen werden insbesondere längliche Formen verstanden, die insbesondere eine erste räumliche Ausdehnung in einer ersten Richtung von dem Port zu der aktiven Fläche besitzen, die kleiner ist als eine zweite räumliche Ausdehnung in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung angeordnet ist.
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Alternativ können die Erhebungen zylinderförmig oder pyramidenförmig sein, wobei bevorzugt in diesem Fall die erste räumliche Ausdehnung nicht mehr als 30%, weiter bevorzugt nicht mehr als 10%, von der zweiten räumlichen Ausdehnung abweicht, bezogen auf die zweite räumliche Ausdehnung.
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Die einzelnen Rippen können jeweils eine oder mehrere Erhebungen umfassen. So kann eine einzelne Rippe durch genau eine längliche Erhebung gebildet werden, wobei die einzelne Erhebung in diesem Fall als Rippe bezeichnet werden kann. Alternativ kann eine Rippe durch mehrere, insbesondere zylinderförmige und/oder pyramidenförmige, Erhebungen gebildet werden. Die, insbesondere zylinderförmigen und/oder pyramidenförmigen, Erhebungen sind bevorzugt in der ersten Richtung hintereinander angeordnet, um eine Rippe zu bilden.
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Die einzelnen Erhebungen können jeweils ovale, runde oder rechteckige wie quadratische Querschnittflächen aufweisen, insbesondere bezogen auf eine Schnittebene parallel zu der ersten Monopolarplatte bzw. der zweiten Monopolarplatte.
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Das Führungs- und Stützelement wird bevorzugt durch mehr als eine Erhebung gebildet. Eine Rippe kann aus mehr als einer Erhebung gebildet werden. Bevorzugt umfasst eine Rippe eine bis fünf Erhebungen, weiter bevorzugt eine bis drei Erhebungen. Das Führungs- und Stützelement umfasst bevorzugt zwei bis 300, insbesondere parallele, Rippen, weiter bevorzugt fünf bis 30. Die Bipolarplatte kann mehr als ein Führungs- und Stützelement umfassen, insbesondere wenn ein Port in mehrere Öffnungen unterteilt ist. Bevorzugt umfasst die Bipolarplatte ein bis sechs Führungs- und Stützelemente.
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Die Erhebungen, insbesondere die Rippen, sind bevorzugt in mindestens einer Reihe angeordnet. Alternativ können die einzelnen Erhebungen, insbesondere die einzelnen Rippen, versetzt zueinander angeordnet sein. Unter einer Anordnung in einer Reihe wird insbesondere verstanden, dass die geometrischen Mittelpunkte der Erhebungen, insbesondere der Rippen, auf einer fiktiven Geraden liegen, die insbesondere in der zweiten Richtung ausgerichtet ist. Bei einer versetzten Anordnung liegen die geometrischen Schwerpunkte der einzelnen Erhebungen, insbesondere der Rippen, nicht auf einer Geraden und sind bevorzugt mit demselben Abstand von der Geraden angeordnet.
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Die einzelnen Erhebungen, insbesondere Rippen, weisen jeweils eine Länge auf, die insbesondere der ersten räumlichen Ausdehnung entspricht und bevorzugt in der ersten Richtung gemessen wird. Die einzelnen Erhebungen, insbesondere Rippen, können jeweils eine gleiche Länge oder verschiedene Längen aufweisen. Ein Abstand zwischen zwei Erhebungen, insbesondere Rippen, beträgt bevorzugt vom 0,5- bis 5-fachen einer Breite der Erhebungen, insbesondere Rippen, wobei die Breite insbesondere senkrecht zur Länge der Erhebungen, insbesondere Rippen, gemessen wird.
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Die Erhebungen, insbesondere die Rippen, können von der ersten Monopolarplatte oder der zweiten Monopolarplatte zu der, insbesondere benachbart angeordneten, Membran-Elektroden-Anordnung zeigen oder von der ersten Monopolarplatte zur zweiten Monopolarplatte beziehungsweise von der zweiten Monopolarplatte zur ersten Monopolarplatte.
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In den letztgenannten Fällen sind die Erhebungen in ein Inneres der Bipolarplatte gerichtet und können der Zuführung des mindestens einen Mediums vom Port in einen Zwischenraum zwischen der ersten Monopolarplatte und der zweiten Monopolarplatte dienen, wobei hier das mindestens eine Medium bevorzugt ein Kühlmittel ist. In dieser Ausführungsform liegt bevorzugt zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung eine Dichtung vor, die insbesondere in Wellen auf der Rückseite der Erhebungen eindringt und diese gasdicht abdichtet. Die Dichtung wird bevorzugt in flüssiger Verarbeitung hergestellt, beispielsweise durch Spritzguss oder Dispensen.
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Ferner weist die elektrochemische Zelle bevorzugt ein Verstärkungselement auf, das auch als Verstärkungsfläche bezeichnet werden kann und bevorzugt plattenförmig ist, wobei das Verstärkungselement ein Teil der Membran-Elektroden-Anordnung oder ein separates Bauteil sein kann. Die Erhebungen liegen weiter bevorzugt an dem Verstärkungselement an.
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Das Verstärkungselement wird bevorzugt durch zumindest einen Teil einer Randverstärkung der Membran-Elektroden-Anordnung gebildet, die auch als Rahmen bezeichnet werden kann und welche weiter bevorzugt besonders steif ausgeführt sein kann. Das Verstärkungselement weist bevorzugt eine Steifigkeit auf, die um einen Faktor von 1,5 bis 50 größer ist als die übrige Randverstärkung.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein Verstärkungselement als separates Bauteil vorliegen, das auch innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere innerhalb des Rahmens, angeordnet sein kann. Das separate Bauteil kann eine Folie oder, insbesondere in der Anwendung außerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung, eine Platte sein. Die Platte ist bevorzugt aus Metall aufgebaut.
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Das Verstärkungselement kann zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sein und/oder innerhalb der Randverstärkung der Membran-Elektroden-Anordnung einlaminiert sein, insbesondere in einer oberen und unteren Randverstärkung.
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Vorteile der Erfindung
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Durch das Führungs- und Stützelement, das durch die Erhebungen gebildet wird, besteht eine einfache Möglichkeit zur Führung von Medien zwischen Port und aktiver Fläche. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen müssen keine Durchbrüche zusätzlich zu den Ports in den Monopolarplatten erzeugt werden, wobei den mechanischen Anforderungen in einem Stapel elektrochemischer Zellen entsprochen wird. Durch das Führungs- und Stützelement wird eine mechanische Abstützung und die Durchführung der Medien durch die Dichtungsebene gleichzeitig erreicht.
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Das Medium muss nicht durch die Monopolarplatten hindurchtreten, sondern verbleibt auf einer Seite der jeweiligen Monopolarplatte. Daraus ergibt sich ein niedriger Druckverlust, der zu einer Effizienzerhöhung des Systems elektrochemischer Zellen führt.
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Durch das Verstärkungselement wird die mechanische Abstützung weiter verbessert, so dass bei Systemdruck des Stapels die Membran-Elektroden-Anordnung zuverlässig gegen das gegenüberliegende Führungs- und Stützelement abgedichtet wird. Das Verstärkungselement überträgt die von den Erhebungen partiell eingeleitete Dichtkraft auf eine flächige Kraft beziehungsweise eine Linienkraft, mit der das Verstärkungselement lückenlos an die bezüglich der Membran-Elektroden-Anordnung rückseitig anliegende Dichtung angedrückt wird, beispielsweise wenn sich das Führungs- und Stützelement auf der Luftzuführseite der Membran-Elektroden-Anordnung befindet und ein Luftport auf der Rückseite der Membran-Elektroden-Anordnung mit der rückseitig anliegenden Dichtung gegenüber der aktiven Fläche abgedichtet werden muss.
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Zur Erzeugung der Erhebungen können bekannte Herstellmethoden eingesetzt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle,
- 2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
- 3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte mit Führungs- und Stützelement,
- 4 eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle mit Führungs- und Stützelement,
- 5 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte mit Führungs- und Stützelement und Verstärkungselement,
- 6 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer elektrochemischen Zelle mit Führungs- und Stützelement und Verstärkungselement und
- 7 bis 10 eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsformen eines Führungs- und Stützelements.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt schematisch eine elektrochemische Zelle 1 in Form einer Brennstoffzelle. Die elektrochemische Zelle 1 weist eine Membran 2 als Elektrolyten auf, die einen Kathodenraum 6 von einem Anodenraum 8 trennt.
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Im Kathodenraum 6 und im Anodenraum 8 sind auf der Membran 2 jeweils eine Elektrodenschicht 3, eine Gasdiffusionslage 5 und eine Bipolarplatte 7 angeordnet. Der Verbund von Membran 2 und der Elektrodenschicht 3 kann auch als Membran-Elektroden-Anordnung 4 bezeichnet werden.
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In den Bipolarplatten 7 werden Medien 29 zugeführt. Durch die Bipolarplatte 7 im Kathodenraum 6 gelangt Sauerstoff 9 zur Gasdiffusionslage 5 und durch die Bipolarplatte 7 des Anodenraums 8 gelangt Wasserstoff 11 zur entsprechenden Gasdiffusionslage 5.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte 7, die eine aktive Fläche 53 und mehrere Ports 55 aufweist. Die Ports 55 und die aktive Fläche 53 sind von einer Dichtung 47 umgeben, die ein Medium 29 abdichten, das von den Ports 55 zur aktiven Fläche 53 strömt oder umgekehrt.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 7 mit einem Port 55 und einer aktiven Fläche 53. Die Bipolarplatte 7 weist ein Führungs- und Stützelement 69 mit Durchführungen 71 zur Durchführung von einem Medium 29 auf. Das Führungs- und Stützelement 69 wird durch mehrere Erhebungen 73 einer ersten Monopolarplatte 13 der Bipolarplatte 7 gebildet, wobei die Durchführungen 71 jeweils zwischen den Erhebungen 73 vorliegen. Das Führungs- und Stützelement 96 ist zwischen dem Port 55 und der aktiven Fläche 53 angeordnet und die Erhebungen 73 bilden in der gezeigten Ausführungsform Rippen 75, zwischen denen das Medium 29 durch die Durchführungen 71 strömt.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer elektrochemischen Zelle 1, die eine Bipolarplatte 7 und eine Membran-Elektroden-Anordnung 4 mit einer Membran 2 aufweist. Zwischen einem Port 55 und einer aktiven Fläche 53 ist ein Führungs- und Stützelement 69 angeordnet, das Erhebungen 73 in Form von Rippen 75 aufweist. Die Erhebungen 73 liegen an der Membran-Elektroden-Anordnung 4 an, die zwischen Dichtungen 47 angeordnet ist. Das Führungs- und Stützelement 69 stützt die Membran 2 beziehungsweise deren Randverstärkung gegen eine Dichtung 47 ab.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Bipolarplatte 7, die im Wesentlichen der Bipolarplatte 7 gemäß 3 entspricht mit dem Unterschied, dass zusätzlich ein Verstärkungselement 81 in Form einer Abdeckplatte vorliegt, die das Führungs- und Stützelement 69 bedeckt und als separates Bauteil ausgeführt ist. Ferner sind eine erste Richtung 83 und eine zweite Richtung 85 in Relation zu der Bipolarplatte 7 gekennzeichnet.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer elektrochemischen Zelle 1, die im Vergleich zu 4 zusätzlich das Verstärkungselement 81 aufweist, das zwischen der Bipolarplatte 7 und der Membran-Elektroden-Anordnung 4 angeordnet ist und die Membran 2 gegen die Dichtung 47 optimiert abstützt.
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7 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Führungs- und Stützelements 69.
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Gemäß 7 bilden die Erhebungen 73 jeweils Rippen 75, die parallel zu der ersten Richtung 83 angeordnet sind. Die geometrischen Mittelpunkte 87 der Rippen 75 sind versetzt zueinander angeordnet.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Führungs- und Stützelements 69, wobei die Erhebungen 73 jeweils Rippen 75 bilden, die jeweils unterschiedliche Längen 79 aufweisen. Die geometrischen Mittelpunkte 87 sind auf einer Geraden 89 angeordnet, so dass die Rippen 75 in einer Reihe 77 angeordnet sind.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Führungs- und Stützelements 69, wobei die Erhebungen 73 in drei Reihen 77 angeordnet sind. Jeweils drei Erhebungen 73 bilden eine Rippe 75, zwischen denen sich Durchführungen 71 befinden.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Führungs- und Stützelements 69, wobei eine Erhebung 73 eine Rippe 75 bildet und eine längliche, rechteckige Form aufweist, weitere zwei Erhebungen 73 jeweils eine ovale Form, also eine ovale Querschnittfläche, aufweisen und gemeinsam eine Rippe 75 bilden und weitere fünf Erhebungen 73 jeweils eine kreisförmige Form aufweisen und gemeinsam eine weitere Rippe 75 bilden. Entsprechend kann eine Rippe 75 eine rechteckige Form haben oder durch ovale oder runde Formen von Erhebungen 73 gebildet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10158772 C1 [0015]
- DE 10248531 B4 [0015]