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Diese
Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere mit Flüssigkeit
gekühlte
Brennstoffzellen, die einen oder mehrere elektrisch isolierte Kühlmittelverteiler
aufweisen, um Nebenschlussströme
in dem Kühlmittel
zu verringern.
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Brennstoffzellen
sind als Energiequelle für eine
Vielzahl von Anwendungen vorgeschlagen worden. Einige Brennstoffzellen
(beispielsweise vom PEM-Typ oder vom Phosphorsäuretyp) verwenden Wasserstoff,
der an die Anode als Brennstoff geliefert wird, und Sauerstoff (als
Luft), der an die Kathode als Oxidationsmittel geliefert wird. PEM-Brennstoffzellen (d.h.
Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran) sind für Fahrzeuganwendungen
infolge ihrer Kompaktheit, ihres Betriebs bei moderaten Temperaturen
und ihrer hohen Leistungsdichte bevorzugt. PEM-Brennstoffzellenstapel
bzw. -stacks umfassen eine Vielzahl einzelner Zellen, von denen
jede eine sogenannte "Membranelektrodenanordnung" umfasst, die einen
dünnen,
protonendurchlässigen
Festpolymermembranelektrolyten (beispielsweise perfluorierte Sulfonsäure) mit
einer Anode auf einer Seite des Membranelektrolyten und einer Kathode
auf der gegenüberliegenden
Seite des Membranelektrolyten umfasst. Die Anzahl von Zellen in
einem gegebenen Stapel wird durch die gewünschte Ausgangsspannung des
Stapels bestimmt. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise
fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische
Partikel, die an den Kohlenstoffpartikeln getragen sind, und protonenleitfähiges Material,
das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln ver mischt
ist. Die Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem
Paar von elektrisch leitfähigen
Kontaktelementen angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode
und Kathode dienen und Durchflusskanäle auf ihren Seiten zur Verteilung
der gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h: H2 & O2/Luft) über die
Flächen
der jeweiligen Anode und Kathode umfassen. Eine derartige Membranelektrodenaordnung und
Brennstoffzelle ist in dem U.S. Patent 5,272,017 beschrieben, das
am 21. Dezember 1993 für
Swathirajan et al. erteilt und auf den Anmelder der vorliegenden
Erfindung übertragen
wurde.
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Bipolare
PEM-Brennstoffzellenstapel umfassen eine Vielzahl der Membranelektrodenanordnungen,
die (typischerweise in elektrischer Reihe) aufeinander gestapelt
und voneinander durch eine gasundurchlässige, elektrisch leitfähige bipolare
Platte getrennt sind. Jede bipolare Platte besitzt einen aktiven
Bereich mit einer ersten Seite, die zu Anode einer Zelle weist,
einer zweiten Seite, die zu der Kathode der nächsten benachbarten Zelle in
dem Stapel weist, und einem internen Kühldurchgang zum Zirkulieren
eines Kühlmittels
(beispielsweise Ethylenglykol & Wasser)
durch die Platte hinter den Seiten. An den Enden des Stapels sind
monopolare Endplatten vorgesehen. An den aktiven Bereich der bipolaren
Platte grenzt ein inaktiver Bereich an, der eine oder mehrere Öffnungen
darin aufweist. Wenn die Platten aufeinander gestapelt sind, sind
gleiche Öffnungen
in benachbarten Platten ausgerichtet und bilden zusammen mit anderen
Stapelkomponenten (beispielsweise Dichtungen) Einlass- und Auslassverteiler,
die die gasförmigen
Reaktanden und Kühlmittel
zu den verschiedenen bipolaren Platten liefern bzw. diese von den
verschiedenen bipolaren Platten entfernen. In dieser Ausrichtung
bildet eine Fläche
von jeder der bipolaren Platten, die die Kühlmittelöffnung definiert, einen Teil
der Wand, die den Kühlmittelverteiler
definiert. Diese Fläche
ist elektrisch leitend und steht während des Betriebs der Brennstoffzelle
in Kontakt mit dem Kühlmittel.
Dieser Kontakt erzeugt ungewollte parasitäre Nebenschlussströme, die
durch das Kühlmittel
fließen,
und bewirkt folglich einen verringerten Stapelwirkungsgrad und möglicherweise
eine elektrolytische Zersetzung des Kühlmittels.
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Die
US 6,372,376 B1 beschreibt
eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 31 40 347 C2 beschreibt
eine Brennstoffzelle mit einem Auslasssammelraum, der mit einer
Isoliereinrichtung auskleidet ist.
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Die
DE 26 31 132 C2 beschreibt
eine Brennstoffzelle mit Kühlrohren,
die in Verbindung mit Sammelräumen
stehen, die sich außerhalb
der Brennstoffzelle befinden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle
vorzusehen, die einen effektiven ursprünglichen Schutz gegen Nebenschlussströme in einer
kosteneffektiven Weise aufweist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch
1.
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Die
vorliegende Erfindung reduziert die Nebenschlussströme, die
durch das Kühlmittel
in einem Brennstoffzellenstapel fließen, indem die Wände der Verteiler,
die Kühlmittel
an den Stapel liefern bzw. von diesem entfernen, elektrisch isoliert
werden. Es ist ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine Vielzahl
von Zellen umfasst, von denen jede eine Anode aufweist, die einem
ersten Reaktanden ausgesetzt ist, eine Kathode aufweist, die einem
zweiten Reaktanden ausgesetzt ist, und einen Elektrolyten zwischen
der Anode und der Kathode aufweist. Der Stapel umfasst zumindest
eine und typischerweise viele elektrisch leitfähige bipolare Platten, die
benachbarte Zellen voneinander trennen. Die bipolare Platte umfasst
einen elektrisch leitfähigen
aktiven Bereich, der eine erste Seite aufweist, die zu der Anode
einer Zelle weist, eine zweite Seite aufweist, die zu der Kathode
der nächsten
benachbarten Zelle in dem Stapel weist, und einen internen Kühldurchgang
zum Zirkulieren eines Kühlmittels
durch die Platte hinter den Seiten. Der aktive Bereich ist durch
zumindest einen inaktiven Bereich begrenzt, der Verteiler umfasst,
um das Kühlmittel
und die Reaktanden an den Stapel bzw. von diesem zu leiten. Diesbezüglich besitzt
der inaktive Bereich jeder bipolaren Platte eine Fläche, die
eine Öffnung
durch den inaktiven Bereich definiert, und die teilweise einen Verteiler
definiert, der Kühlmittel
zu dem Kühlmitteldurchgang
innerhalb der bipolaren Platte liefert bzw. von diesem entfernt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zumindest die die Öffnung
definierende Fläche
des inaktiven Bereiches mit einer anhaftenden, nicht leitfähigen Beschichtung beschichtet,
die den Fluss von Nebenschlussströmen durch das Kühlmittel
in dem Verteiler reduziert. Bevorzugt ist der gesamte inaktive Bereich
der bipolaren Platte mit der nichtleitenden Beschichtung zum zusätzlichen
Schutz und zur Vereinfachung der Beschichtung beschichtet. Die nichtleitfähige Beschichtung
umfasst bevorzugt ein Polymer oder am bevorzugtesten ein Oxid des
Metalls, das dazu verwendet wird, um die bipolare Platte herzustellen,
und kann durch Sprühen,
Bürsten
bzw. Streichen, durch Tauchen, durch elektrolytisches CVD-Beschichten und/oder
durch PVD-Beschichten aufgebracht werden. Wenn die bipolare Elektrode
aus einem Metall, wie beispielsweise Titan, hergestellt ist, umfasst
die nichtleitende Beschichtung bevorzugt ein Oxid (d.h. Titanoxid)
desjenigen Metalls, das an der Stelle (in situ) (beispielsweise
durch Anodisierung bzw. anodische Oxidation) ausgebildet worden
ist. Die Erfindung ist insbesondere in Bezug auf PEM-Brennstoffzellen
vorteilhaft, die protonendurchlässige
Membranelektrolyten aufweisen anstatt eines strömenden flüssigen Elektrolyten, durch
den Nebenschlussströme
fließen
können.
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Die
Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische isometrische Explosionsansicht eines flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels
ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt),
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2 eine
Draufsicht der Anodenseite einer bipolaren Platte ist; und
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3 ein
Schnitt in der Richtung 3–3
von 2 ist.
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Zur
Vereinfachung ist nur ein Stapel mit zwei Zellen (d.h. eine bipolare
Platte) gezeigt und nachfolgend beschrieben, wobei zu verstehen
sei, dass ein typischer Stapel wesentlich mehr derartige Zellen und
bipolare Platten umfasst. 1 zeigt
einen bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel mit zwei Zellen, der
ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist,
die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare
Platte 8 getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 und
die bipolare Platte 8 sind zusammen zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus
rostfreiem Stahl und monopolaren Endplatten 14 und 16 gestapelt.
Die Klemmplatten 10 und 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch
eine Dichtung oder dielektrische Beschichtung elektrisch isoliert
(siehe 3). Die monopolaren Endplatten 14 und 16 wie
auch die Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 umfassen
eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen 18, 20, 22 und 24,
die ein sogenanntes "Strömungsfeld
bzw. flow field" zur
Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d.h. H2 & O2) über die
Seiten der MEAs 4 und 6 definieren. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen
Dichtungen sowie eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige Kohlenstoff-/Graphit-Diffusionspapiere 34, 36, 38 und 40 werden
an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst.
Die Endplatten 14 und 16 werden jeweils gegen
die Kohlenstoff/Graphit-Papiere 34 und 40 gepresst,
während die
bipolare Platte 8 an das Kohlenstoff/Graphit-Papier 36
an der Anodenseite der MEA 4 und an das Kohlenstoff/Graphit-Papier 38 an
der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird.
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Die
bipolaren Platten können
Graphit, mit Graphit gefülltes
Polymer oder Metall umfassen. Bevorzugt umfassen die bipolaren Platten
zwei separate Metalltafeln/-platten, die miteinander verbunden sind,
um so einen Kühlmitteldurchflussdurchgang
dazwischen zu bilden. Das Verbinden kann beispielsweise durch Hartlöten, Diffusionsbonden
bzw. Verbinden durch Diffusion oder durch Kleben mit einem leitfähigen Klebstoff
erfolgen, wie es in der Technik gut bekannt ist. Die Metalltafeln
sind so dünn
wie möglich
ausgebildet (beispielsweise etwa 0,0508 cm – 0,508 cm (0,002 – 0,02 Zoll)
dick) und können
durch Stanzen, durch Photoätzen
(d.h. durch eine photolithographische Maske) oder durch einen anderen
herkömmlichen
Prozess zum Formen von Blech bzw. Metalltafeln gebildet werden.
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2 zeigt
die Anodenseite einer bipolaren Platte 8 (beispielsweise
der von 1) mit einem zentralen aktiven
Bereich "A", der zu den MEAs 36, 38 weist
und durch inaktive Bereiche "B" und "C" eingegrenzt ist. Der aktive Bereich
A besitzt eine erste Arbeitsseite mit einem Anodendurchflussfeld 20,
das eine Vielzahl von serpentinenartigen Durchflusskanälen zur
Verteilung von Wasserstoff über
die Seite der MEA 4, die zu dieser weist, umfasst. Das
bestimmte Durchflussfeld 20, das gezeigt ist, ist detaillierter
in dem U.S. Patent 6,309,773 von Rock beschrieben, das am 30. Oktober
2001 erteilt, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Eine ähnliche
Arbeitsseite 22 auf der gegenüberliegenden (d.h. Kathoden-)
Seite (nicht gezeigt) der Platte dient dazu, Luft über die
Seite der MEA 6 zu verteilen, die zu dieser weist. Die
aktiven Bereiche von bipolaren Platten, die aus korrosionsempfindlichen
Metallen hergestellt sind, sind bevorzugt mit einer leitenden, korrosionsbeständigen Beschichtung
beschichtet, wie in der ebenfalls anhängigen U.S. Patentanmeldung
09/456,478 von Fronk et al. beschrieben ist, die am 7. Dezember
1999 eingereicht, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Fronk et al. offenbart
bipolare Metallplatten mit einer Schutzbeschichtung, die eine Vielzahl
elektrisch leitender korrosionsbeständiger Füllpartikel umfasst, die über eine
Matrix eines säurebeständi gen,
wasserunlöslichen,
oxidationsbeständigen
Polymers verteilt sind, das die Partikel aneinander und an die Seiten
der bipolaren Platten bindet.
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Der
aktive Bereich A der bipolaren Platte 8 ist durch zwei
inaktive Grenzabschnitte B und C flankiert, die Öffnungen 46, 48, 50, 52, 54 und 56 hindurch
aufweisen. Wenn die Platten aneinander gestapelt sind, sind die Öffnungen
in einer bipolaren Platte mit gleichen Öffnungen in den anderen bipolaren
Platten ausgerichtet. Andere Komponenten des Stapels, wie beispielsweise
Dichtungen 26, 28, 30 und 32 wie
auch die Membran der MEAs 4 und 6 und die Endplatten 14, 16 besitzen
entsprechende Öffnungen
(siehe 1), die mit den Öffnungen in den bipolaren Platten
in dem Stapel ausgerichtet sind und gemeinsam Verteiler zur Lieferung
und Entfernung gasförmiger
Reaktanden und flüssigen
Kühlmittel
zu bzw. von dem Stapel bilden. Bei der in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform:
(1) bilden Öffnungen 46 in
Serie gestapelter Platten einen Lufteinlassverteiler; (2) bilden Öffnungen 48 in
Serie gestapelter Platten einen Luftauslassverteiler; (3) bilden Öffnungen 50 in
Serie gestapelter Platten einen Wasserstoffeinlassverteiler; (4)
bilden Öffnungen 52 in
Serie gestapelter Platten einen Wasserstoffauslassverteiler; (5)
bilden Öffnungen 54 in
Serie gestapelter Platten einen Kühlmitteleinlassverteiler; und
(6) bilden Öffnungen 56 in
Serie gestapelter Platten einen Kühlmittelauslassverteiler. Wie
in 1 gezeigt ist, wird Sauerstoff bzw. Luft an den
Lufteinlassverteiler des Stapels über eine geeignete Versorgungsleitungsanordnung 58 geliefert,
während
Wasserstoff an den Wasserstoffverteiler über eine Versorgungsleitungsanordnung 60 geliefert
wird. Es ist auch eine Austragsleitungsanordnung für sowohl
H2 (62) als auch O2/Luft
(64) für
die H2- und Luftaustragsverteiler vorgesehen.
Es ist auch eine zusätzliche
Leitungsanordnung 66, 68 zur jeweiligen Lieferung
von flüssigem Kühlmittel
an die Kühlmittelein lassverteiler
sowie zur Entfernung von Kühlmittel
von den Kühlmittelauslassverteilern
vorgesehen.
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3 zeigt
einen Schnitt durch den Kühlmitteleinlassverteiler
von 1 in der Richtung 3-3 von 2. 3 zeigt
einen Kühlmittelverteiler 58,
der durch Ausrichten der Öffnungen
in den verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle von 1 ausgebildet
ist. Die Klemmplatten 10 und 12 sind von den Endplatten 14, 16 über dünne dielektrische
Beschichtungen 60 bzw. 62 elektrisch isoliert.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Innenflächen 64, 66 und 68 der Öffnungen
in den bipolaren und monopolaren Platten 8, 14 und 16 jeweils
mit einer nichtleitenden Beschichtung 70, 72 und 74 beschichtet,
wodurch das Kühlmittel
von den bipolaren bzw. monopolaren Platten elektrisch isoliert wird.
Bevorzugt ist der gesamte inaktive Bereich der bipolaren Platten der
nichtleitenden Beschichtung beschichtet. Daher sind auch solche
Flächen,
wie beispielsweise 76, 78, 80, 82, 84 und 86,
die nicht zu dem Verteiler 58 weisen, ebenfalls beschichtet,
(1) um einen zusätzlichen Schutz
gegen Nebenschlussströme
vorzusehen, die daraus resultieren, dass das Kühlmittel in den Grenzbereich
zwischen einer bipolaren Platte 8 und einer, angrenzenden
Dichtung 28 oder 30 eintritt, und (2) um den Beschichtungsprozess
zu vereinfachen.
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Die
nichtleitenden Beschichtungen können verschiedene
Zusammensetzungen aufweisen und in einer Vielzahl von verschiedenen
Arten aufgebracht werden. Daher können Polymerbeschichtungen
entweder duroplastisch oder thermoplastisch sein und bevorzugt aus
der Gruppe ausgewählt
sein, die besteht aus: Epoxidharzen, Polyamidimiden, Polyetherimiden,
Polyphenolen, Fluorelastomeren, Polyestern, Phenoxyphenolen, Epoxid-Phenolen,
Acrylharzen und Urethanen. Die Polymerbeschich tung kann aufgebracht
werden, indem das Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst wird,
der inaktive Bereich der Platte in ein Becken des gelösten Polymers
getaucht wird, die Platte von dem Becken entfernt wird und das Lösungsmittel
ausgetrieben wird. Alternativ dazu kann das gelöste Polymer auf die Oberfläche des
inaktiven Bereiches aufgesprüht
oder gestrichen werden. Überdies
könnte
der inaktive Bereich in eine Schmelze des Polymers getaucht werden,
um einen geschmolzenen Film auf der Oberfläche des inaktiven Bereiches
zu bilden, und anschließend
der Film gekühlt
und verfestigt werden. Noch weiter könnten geeignete Polymere elektrophoretisch
auf der Oberfläche
des inaktiven Bereiches abgeschieden werden. Elektrophoretisch abgeschiedene
Polymerbeschichtungen sind besonders vorteilhaft, da sie in einem
automatisierten Prozess schnell mit wenig Abfall abgeschieden werden
können
und im Wesentli chen gleichmäßig auf
Oberflächen
mit komplexen und Ausnehmungen aufweisenden Flächen abgeschieden werden können. Bei
dem elektrophoretischen Abscheidungsprozess wird ein leitfähiges Substrat
in eine wässrige
Suspension aus einem geladenen säurelöslichen
Polymer eingetaucht, und das Polymer wandert unter dem Einfluss
eines angelegten Stromes zu dem Substrat, das eine entgegengesetzte
Ladung aufweist, und schlägt
sich dort nieder. Wenn vernetzbare Polymere verwendet werden, umfasst
die Suspension auch einen Katalysator zur Unterstützung der
Vernetzung. Die elektrophoretische Abscheidung ist gut bekannt und
in einer Vielzahl von Veröffentlichungen
beschrieben, wie beispielsweise "Cathodic
Electrodeposition",
Journal of Coatings Technology, Band 54, Nr. 688, S. 35 bis 44 (Mai
1982).
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Wenn
die bipolare Platte ein leicht oxidierbares Metall umfasst, umfasst
die nichtleitende Beschichtung bevorzugt ein Oxid dieses Metalls,
das auf der Oberfläche
des Metalls anodisch aufgewachsen wird. Daher umfasst gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die bipolare Platte im Wesentlichen Titan, wobei deren
inaktiver Bereich anodisiert worden ist, um eine isolierende Titanoxidhaut
darauf zu bilden. Diesbezüglich
wird der inaktive Bereich der biopolaren Platte in einen geeigneten Elektrolyten
eingetaucht und darin gegen eine Gegenelektrode anodisch polarisiert.
Es hat sich herausgestellt, dass kommerziell erhältliche, auf Ethylenglykol
basierende Kühlmittel,
wie beispielsweise DexcoolTM Extra Life
Antifreeze Coolant (von Havoline) oder Electra-cool® (von
General Motors Vehicle Care), die Rosthemmer aus organischem Salz
umfassen (beispielsweise das Kaliumsalz der 2-Ethylhexansäure), geeignete
Elektrolyte darstellen. Der inaktive Bereich wird in dem Elektrolyten
gegenüberliegend
einer Gegenelektrode, die platinisiertes Titan umfasst, mit einem
Spalt zwischen Anode und Kathode von etwa 12 mm positioniert. Es
wird eine Spannung von 14 V zwischen die Platte und die Gegenelektrode
für eine
Zeitdauer von etwa 3 Minuten angelegt, bis die Entwicklung von Gas
an der Platte wesentlich zurückgeht.
Die Platte wird dann von dem Elektrolyten entfernt und mit deionisiertem
Wasser gespült.
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Zusammengefasst
ist ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von flüssigkeitsgekühlten bipolaren
Platten vorgesehen, die eine Zelle von der nächsten trennen. Einlass- und
Auslassverteiler für Kühlmittel
sind teilweise durch Flächen
der bipolaren Platten definiert und liefern Kühlmittel zu den bipolaren Platten
bzw. beseitigen Kühlmittel
von diesen. Die Flächen
der bipolaren Platten, die die Kühlmittelverteiler
definieren und zu dem Kühlmittel
in den Verteilern weisen, sind mit einer nichtleitenden Beschichtung
beschichtet, um einen Fluss eines Nebenschlussstromes durch das
Kühlmittel
zu verringern.