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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels für verschiedene Anwendungen in Reihe aneinander gestapelt werden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein Fahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel als eine potentielle Alternative für die herkömmliche Brennkraftmaschine, die in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird, erkannt worden.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran- (PEM-) Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar von Elektroden, das eine Kathode und eine Anode aufweist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen den Elektroden angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM), wie Kohlefaserpapier, angeordnet, die eine Lieferung von Reaktanden, wie Wasserstoff an die Anode und Sauerstoff an die Kathode, unterstützen. Eine MEA und ein DM, die mit einer Unterdichtung zur Trennung von Reaktandenfluiden zusammen vormontiert sind, sind als eine modulare Elektrodenanordnung (UEA) bekannt.
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In der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran gelangen und werden stattdessen als ein elektrischer Strom zu der Kathode durch eine elektrische Last, wie einen Elektromotor, geführt. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Ionomerlage geformt. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind allgemein aus einem fein geteilten Katalysator geformt. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der eine Oxidation von Wasserstoff oder Methanol und/oder eine Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion katalytisch unterstützt. Der Katalysator ist typischerweise ein Edelmetall, wie Platin oder ein anderes Metall der Platingruppe. Der Katalysator ist allgemein auf einem Kohlenstoffträger, wie Rußpartikeln, angeordnet und in einem Ionomer dispergiert.
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Die Elektrolytmembran, die Elektroden, das DM und eine Unterdichtung beispielsweise in der Form der UEA sind zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet. Das Paar von Brennstoffzellenplatten bildet eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Jede der Brennstoffzellenplatten kann eine Mehrzahl von darin geformten Kanälen zur Verteilung der Reaktanden und des Kühlmittels an die Brennstoffzelle aufweisen. Die Brennstoffzellenplatte wird z. B. typischerweise durch ein herkömmliches Verfahren zur Formgebung eines Blechs wie z. B. Stanzen bzw. Prägen, spanabhebende Bearbeitung, Verformen oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske gebildet. Im Fall einer bipolaren Brennstoffzellenplatte wird die Brennstoffzellenplatte typischerweise aus einem Paar unipolarer Platten gebildet, welche dann zusammengefügt werden, um die bipolare Brennstoffzellenplatte zu bilden.
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Bekannte Bipolar-Brennstoffzellenplatten besitzen Anoden- und Kathoden-Unipolarplatten mit im Wesentlichen planaren Flächen um die Umfänge oder Ränder der Platten. Typischerweise werden die Unipolarplatten aus sehr dünnen Metallblechen, beispielsweise Blechen aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von etwa 100 µm gestanzt. Die Anoden- und Kathoden-Unipolarplatten werden an den jeweiligen Umfängen auch nicht miteinander verschweißt und tendieren zu einer Abspreizung. Die Bipolar-Brennstoffzellenplatten sind unerwünscht einer Verformung der Ränder der Unipolarplatten aufgrund einer schlechten Handhabung und rauem Transport ausgesetzt. Wenn die Verformung ausreichend groß ist, resultiert die Verformung in einer Punktlast an der Unterdichtung, die benachbarte Brennstoffzellen trennt. Die Punktlast an der Unterdichtung kann einen elektrischen Kurzschluss von Zelle zu Zelle bewirken, wenn der verformte Rand die Unterdichtung durchsticht und mit einer benachbarten Bipolar-Brennstoffzellenplatte in Kontakt tritt.
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Daher ist es bekannt gewesen, einen Kunststoff-Abstandhalterrahmen zu verwenden, der die Umfänge benachbarter Bipolar-Brennstoffzellenplatten trennt, um beispielsweise einem Kurzschluss von Zelle zu Zelle entgegenzuwirken, wie in der Druckschrift
US 2012 / 0 045 709 A1 offenbart ist. Der bekannte Kunststoff-Abstandhalterrahmen ist mit der Platte um den Umfang der Bipolar-Brennstoffzellenplatte beispielsweise durch Wärmekontaktnieten heißversiegelt. Dies stellt nur ein mögliches Verfahren zum Zusammenbau dar; ein drucksensitiver Klebstoff (PSA), mechanische Ausrichtung sowie lose gelegte Konfiguration, die über Bezugstifte ausgerichtet sind, sind andere potentielle Optionen. Die dünnen Metallbleche, die typischerweise eingesetzt sind, können die Befestigung des Kunststoff-Abstandhalterrahmens an den Bipolar-Brennstoffzellenplatten schwierig machen.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer Brennstoffzellenplatte, die einer Randverformung entgegenwirkt und kontinuierlich stützende Merkmale für stromabwärtige Prozessschritte bereitstellt, wie Abdichten bzw. Versiegeln sowie Befestigen des isolierenden Abstandhalterrahmens an der Brennstoffzellenplatte.
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Herkömmliche Bipolarplatten für Brennstoffzellen sind aus den Druckschriften
DE 10 2009 012 730 A1 und
US 2010 / 0 151 347 A1 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine Brennstoffzellenplatte entdeckt worden, die einer Randverformung entgegenwirkt und kontinuierlich stützende Merkmale für stromabwärtige Prozessschritte bereitstellt, wie Befestigen des isolierenden Abstandhalterrahmens an der Brennstoffzellenplatte.
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Erfindungsgemäß weist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ein Paar von Platten auf. Jede Platte besitzt einen aktiven Bereich, einen Sammelleitungsbereich sowie einen Umfangsbereich. Der Umfangsbereich ist benachbart einem Rand der Platte angeordnet. Der Umfangsbereich ist auch benachbart sowohl dem aktiven Bereich als auch dem Sammelleitungsbereich angeordnet. Zumindest eine der Platten umfasst ein erhöhtes Stützmerkmal mit einer Innenseite und einer Außenseite. Die Platten sind an dem Umfangsbereich zwischen der Außenseite und dem erhöhten Stützmerkmal und den Rändern der Platten verbunden. Das erhöhte Stützmerkmal weist eine Mehrzahl länglicher Schlitze auf, die sich jeweils nicht vollständig zu der Innenseite und der Außenseite des erhöhten Stützmerkmals erstrecken.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezug auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
- 1 ist eine Draufsicht einer Bipolar-Brennstoffzellenplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht der Bipolarplatte, die durch Bereich 2 in 1 bezeichnet ist;
- 3 ist eine vergrößerte bruchstückhafte perspektivische Draufsicht der Bipolarplatte, die durch Bereich 3 in 1 bezeichnet ist; und
- 4 ist eine vergrößerte bruchstückhafte Draufsicht der Bipolarplatte, die durch Bereich 4 in 1 bezeichnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden.
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Bezug nehmend auf die 1 bis 4 weist die vorliegende Offenbarung eine Bipolarplatte 2 für einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) auf. Die Bipolarplatte 2 weist ein Paar von Platten 4, 6 auf, wie eine Anoden-Unipolarplatte und eine Kathoden-Unipolarplatte. Jede Platte 4, 6 besitzt einen aktiven Bereich 8, einen Sammelleitungsbereich 10 und einen Umfangsbereich 12. Der Umfangsbereich 12 ist benachbart einem Rand 14 der Platte 4, 6 angeordnet. Der Umfangsbereich 12 ist auch benachbart sowohl des aktiven Bereiches 8 als auch des Sammelleitungsbereiches 10 angeordnet. Beispielsweise kann der Umfangsbereich 12 sowohl den aktiven Bereich 8 als auch den Sammelleitungsbereich 10 im Wesentlichen umgeben.
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Der Umfangsbereich 12 der zumindest einen der Platten 4, 6 weist ein erhöhtes Stützmerkmal 16 mit einer Innenseite 18 und einer Außenseite 20 auf. Das Paar von Platten 4, 6 ist in dem Umfangsbereich 12 zwischen der Außenseite 20 des erhöhten Stützmerkmals 16 und den Rändern 14 der Platten 4, 6 verbunden. Bei einer bestimmten Ausführungsform umgibt das erhöhte Stützmerkmal 16 den aktiven Bereich 8 und den Sammelleitungsbereich 10. Das erhöhte Stützmerkmal 16 kann im Wesentlichen kontinuierlich sein oder eine Mehrzahl intermittierender Unterbrechungen 22 aufweisen, wie beispielsweise in den 1 bis 3 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass die Unterbrechungen 22 vorgesehen sein können, um ein Packen der Bipolarplatten 2 in dem Brennstoffzellenstapel zu unterstützen. Bei einer Ausführungsform besitzt das erhöhte Stützmerkmal 16 eine Mehrzahl länglicher Schlitze 24, die auch als darin geformte Einsenkungen oder Vertiefungen bekannt sind. Die länglichen Schlitze 24 erstrecken sich nicht vollständig zu der Innenseite 18 und der Außenseite 20 des erhöhten Stützmerkmales 16. Die länglichen Schlitze 24 können mit einer beliebigen gewünschten Orientierung vorgesehen sein. Die länglichen Schlitze 24 können als ein nicht beschränkendes Beispiel quer zu der Orientierung des erhöhten Stützmerkmals 16 orientiert sein. Die länglichen Schlitze 24 erlauben vorteilhafterweise, eine spezifische Steifigkeit und Beständigkeit gegenüber Biegen des erhöhten Stützmerkmals 16 zu wählen.
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Die länglichen Schlitze 24 sind voneinander entlang der Länge des erhöhten Stützmerkmals 16 an den Rändern 14 der Platten 4, 6 beabstandet. Spannweiten 26 zwischen jedem der länglichen Schlitze 24 können nach Bedarf im Wesentlichen gleich oder verschieden sein. Eine Breite von jeder der Spannweiten 26 ist so gewählt, dass eine Verformung des erhöhten Stützmerkmals 16 und dadurch eine Verformung der Ränder 14 an den Platten 4, 6 minimiert ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die Breiten der Spannweiten 26 so gewählt sein, dass eine Verformung bis zu zumindest 150 psi minimiert wird.
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Eine Tiefe 28 der länglichen Schlitze 24 und eine Höhe 30 des erhöhten Stützmerkmals 16 können ebenfalls so gewählt sein, dass die gewünschte Steifigkeit und Beständigkeit gegenüber Biegen bereitgestellt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt der Umfangsbereich 12 an sowohl der Innenseite 18 als auch der Außenseite 20 des erhöhten Stützmerkmals 16 eine im Wesentlichen planare Fläche. Die Tiefe 28 von jedem der länglichen Schlitze 24 kann sich zu den planaren Flächen des Umfangsbereichs 12 erstrecken.
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Die Höhe 30 des erhöhten Stützmerkmals 16 ist so gewählt, dass eine ausreichende Abstützung bereitgestellt wird, ohne eine unerwünschte Kompressionslast an dem Umfangsbereich 12 bereitzustellen, wenn eine Mehrzahl der Bipolarplatten 2 in einem Stapel angeordnet und komprimiert werden, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden. Die Höhe 30 des erhöhten Stützmerkmals 16 kann zwischen beispielsweise etwa dem zwei (2) bis etwa (4)-fachen einer durchschnittlichen Dicke der Platte 4, 6 liegen. Als ein besonderes nicht beschränkendes Beispiel beträgt die durchschnittliche Dicke der Platten 4, 6 etwa 75 µm, die Tiefe 28 der länglichen Schlitze 24 erreicht die im Wesentlichen planare Fläche des Umfangsbereichs 12 und die Höhe 30 des erhöhten Stützmerkmals 16 liegt zwischen etwa 150 µm und etwa 300 µm. Andere geeignete Orientierungen, Breiten der Spannweite 26, Tiefen 28 der länglichen Schlitze 24 und Höhen 30 des erhöhten Stützmerkmals 16 können nach Bedarf gewählt sein.
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Die Bipolarplatte 2 der vorliegenden Offenbarung umfasst ferner eine Mehrzahl von kleinen Vertiefungen 32 an der Außenseite 20 des erhöhten Stützmerkmals 16. Die kleinen Vertiefungen 32 erlauben eine Verbindung der Platten 4, 6 durch Heftschweißnähte 34. Die Heftschweißnähte 34 können als eine nicht beschränkendes Beispiel durch Laserschweißen geformt werden. Jede Heftschweißnaht 34 wird in einer der kleinen Vertiefungen 32 zwischen der Außenseite 20 des erhöhten Stützmerkmals 16 und dem Rand 14 der Platten 4, 6 ausgebildet. Die Heftschweißnähte 34 können beispielsweise nur an einer ersten Seite und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Bipolarplatte 2 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt ist. Die Ränder 14 der Platten 4, 6 sind dadurch aneinander befestigt, wodurch einer Aufspreizung der Ränder 14 während der Handhabung der Bipolarplatte 2 und der Herstellung des Brennstoffzellenstapels entgegengewirkt wird. Alternative Konstruktionen können eine kontinuierliche Schweißnaht oder ein anderes Muster entlang des Umfangs der Plattenränder 14 nutzen.
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Die Bipolarplatte 2 der vorliegenden Offenbarung kann auch eine Mehrzahl sich auswärts erstreckender Laschen 38 aufweisen. Die sich auswärts erstreckenden Laschen 38 können beispielsweise an dem Umfangsbereich 12 an sowohl einem ersten Ende als auch einem zweiten Ende der Bipolarplatte 2 geformt sein, wie in 1 gezeigt ist. Das erhöhte Stützmerkmal 16 ist zumindest teilweise an den sich auswärts erstreckenden Laschen 38 geformt. Dies dient dazu, die Laschen zu verstärken und diese in richtiger Ausrichtung zu halten. Die sich auswärts erstreckenden Laschen 38 können als Verbinder mit erfassenden Verbindungspunkten in elektrischer Kommunikation mit externer Ausstattung zur Überwachung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels dienen.
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Nun Bezug nehmend auf 4 ist die Innenseite 18 des erhöhten Stützmerkmals 16 benachbart einer Dichtscheibe 42 der Bipolarplatte 2 angeordnet. Die Dichtschweißnaht 44 ist einwärts des erhöhten Stützmerkmals 16 in der Dichtscheibe 42 geformt. Die Dichtschweißnaht 44 sieht eine hermetische Abdichtung zwischen der Anode, der Kathode und den Kühlmittelfluiden des Brennstoffzellenstapels während des Betriebs vor. Das erhöhte Stützmerkmal 16 weist eine Schweißvertiefung 46 an der Innenseite 18 des erhöhten Stützmerkmals 16 auf. Die Schweißnaht 44 endet in der Schweißvertiefung 46 in dem Umfangsbereich 12 an einem Abschlussende 48. Es ist bekannt, dass das Abschlussende 48 der Schweißnähte, insbesondere Laserschweißnähte, unerwünscht in einem Stiftloch in dem verschweißten Material resultieren kann. Die Schweißvertiefung 46 erlaubt die Anordnung des Abschlussendes 48 der Dichtschweißnaht 44 außerhalb der Dichtscheibe 42. Die Schweißvertiefung 46 wirkt dadurch einer Leckage der Anode, der Kathode oder Kühlmittelfluide im Betrieb entgegen.
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Abhängig von der Position der hermetischen Dichtung kann die kreuzende Schweißbeendigung 48 innerhalb des Innenrandes des erhöhten Stützmerkmals 16 angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass die Integration der Schweißvertiefung 46 in das erhöhte Stützmerkmal 16 eine Verkleinerung der Plattengröße zulässt und ermöglicht, dass die hermetisch abdichtende Schweißnaht 44 auswärts zu dem erhöhten Stützmerkmal 16 vorgespannt wird.
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Mit neuerlichem Bezug auf die 1 bis 2 weist die Bipolarplatte 2 der Offenbarung eine Mehrzahl von Verteilerdurchbrechungen 50 auf. Eine Form der Innenseite 18 des erhöhten Stützmerkmals 16 kann im Wesentlichen mit Randformen der Sammlerdurchbrechungen 50 übereinstimmen, die benachbart dem erhöhten Stützmerkmal 16 angeordnet sind. Nach Bedarf können auch andere Formen der Innenseite 18 des erhöhten Stützmerkmals 16 verwendet sein.
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Ein Paar der Bipolarplatten 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung wird verwendet, um eine Brennstoffzelle zu bilden. Die Brennstoffzelle kann eine modulare Elektrodenanordnung (nicht gezeigt) mit einer Unterdichtung und eine zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnete Membranelektrodenanordnung aufweisen. Die Membranelektrodenanordnung und die Diffusionsmediumschichten sind zwischen den Bipolarplatten 2 angeordnet, um die Brennstoffzelle zu bilden. Eine Mehrzahl der Brennstoffzellen kann in einem Stapel angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Offenbarung zu bilden.
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Vorteilhafterweise ist der Umfangsbereich 12 der Bipolarplatte 2 durch Verwendung des erhöhten Stützmerkmals 16 um im Wesentlichen den gesamten Umfang der Bipolarplatte 2 stärker und steifer ausgebildet. Das erhöhte Stützmerkmal 16, wie hier gezeigt ist, erlaubt ein Verschweißen der Anoden- und Kathodenplatte 4, 6 an deren jeweiligen Rändern 14. Das Verschweißen erzeugt einen stärkeren Rand 14 und wirkt einem Abspleißen der Platte 4, 6 bei Verformung entgegen, von dem bekannt ist, dass es einen elektrischen Kurzschluss benachbarter Zellen bewirken können. Ein Zusammenbringen der Anoden- und Kathodenplatten 4, 6 erzeugt auch einen größeren Spalt zwischen benachbarten Platten, wodurch die Gefahr der Berührung benachbarter Bipolarplatten 2 durch Verformungen der Bipolarplatte 2 und das potentielle Bewirken elektrischer Kurzschlüsse reduziert wird. Der steifere Umfangsbereich 12 sieht auch eine starre Oberfläche vor, um die Anoden- und Kathoden-Unipolarplatten während des Verbindungsprozesses flach zu halten, um eine Bipolarplatte 2 zu bilden. Die starre Oberfläche wird auch dazu verwendet, die Bipolarplatte 2 während vor Ort aushärtender (CIP von engl.: „cure-in-place“) Dichtungshinzufügeprozesse flach zu halten.
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Es sei auch angemerkt, dass das erhöhte Stützmerkmal 16 dazu verwendet werden kann, während eines Zellenintegrationsprozesses beispielsweise einen isolierenden Abstandhalterrahmen zu stützen, wie in der Druckschrift
US 2012 / 0 045 709 A1 offenbart ist. Dieser Prozess betrifft das Aufbringen von Wärme und Druck auf eine Unterdichtung mit Ethylvinylacetat (EVA), die den Abstandhalterrahmen überlappt. Vorteilhafterweise hält das erhöhte Stützmerkmal 16 um den Umfang der Bipolarplatte 2 die Drücke und Beanspruchungen, die während des Zellenintegrationsprozesses ausgeübt werden, aus.
