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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie eine durch das Verfahren hergestellte Bipolarplatte.
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Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der die chemische Reaktionsenergie eines Brennstoffs (z. B. Wasserstoff, Methan, Methanol) sowie eines Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff) direkt in elektrische Energie umwandelt.
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Eine einzelne Brennstoffzelle besteht aus zwei als Katalysatoren dienenden Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die mittels eines Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Anode wird von dem kontinuierlich zugeführten Brennstoff umspült, der an dieser oxidiert wird. Die Kathode wird mit dem ebenfalls kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittel umspült, das an dieser reduziert wird. Der Elektrolyt kann flüssig oder in fester Form, dann insbesondere als Membran, vorliegen und weist die Fähigkeit auf, Ionen zwischen den Elektroden zu transportieren, einen Austausch von Elektronen jedoch zu verhindern. Der Elektronenaustausch läuft vielmehr über einen äußeren Stromkreis ab, wodurch ein gewünschter Stromfluss erzeugt wird.
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Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe elektrische Leistung erzeugt, werden in der Regel eine Vielzahl solcher Brennstoffzellen parallel und/oder seriell verschaltet und somit zu sogenannten Brennstoffzellenstacks zusammengefasst. Die einzelnen Brennstoffzellen eines solchen Brennstoffzellenstacks werden mittels sogenannter Bipolarplatten voneinander getrennt, wobei diese regelmäßig derart ausgebildet werden, dass diese die Leitung des von den einzelnen Brennstoffzellen erzeugten Stroms sowie die Zuleitung der Reaktionspartner zu den Elektroden beziehungsweise zu sogenannten Gasdiffusionslagen, die zwischen den Bipolarplatten und den jeweils angrenzenden Elektroden angeordnet sind und die großflächige Verteilung der Reaktionspartner auf die Elektroden übernehmen, bewirken.
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Bipolarplatten bestehen vielfach aus zwei Schalen, die miteinander verbunden werden und dabei innenseitig Hohlräume ausbilden, die als Kanäle zur Führung eines oder beider Reaktionspartner oder auch eines Kühlmediums dienen. Auch außenseitig werden offene Kanäle und/oder Durchgangsöffnungen ausgebildet, die zur Führung von insbesondere den Reaktionspartnern vorgesehen sind. Um ein Vermischen der Reaktionspartner miteinander und/oder des Kühlmediums mit den Reaktionspartnern zu vermeiden, werden Dichtungen eingesetzt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Dichtschnüre aus einem elastomeren Material, die außenseitig auf die Schalen der Bipolarplatten aufgetragen werden und beim Zusammenfügen der Schalen oder bei der Montage eines Brennstoffzellenstacks komprimiert werden und dadurch die gewünschte Dichtfunktion bewirken.
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Von Bipolarplatten, die aus metallischen Schalen ausgebildet sind, ist auch bekannt, innenliegende Dichtungen in Form von Schweißnähten auszubilden. Demnach werden die Schalen entlang eines Bereichs verschweißt, für den eine Dichtfunktion erforderlich ist. Somit kann auf das Einbringen separater Dichtungen verzichtet werden, wodurch der Montageaufwand und Dichtmaterial und damit die Herstellungskosten für die Bipolarplatten reduziert werden kann. Nachteilig an dieser Vorgehensweise kann jedoch sein, dass der oder die Bereiche der Bipolarplatten, in denen die Dichtungen ausgebildet sind, geometrisch aufwändig und/oder relativ groß gewählt werden müssen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, außen- und innenliegende Dichtungen, die eigentlich übereinander liegen könnten, nebeneinander anordnen zu müssen, da die Ausbildung einer innenliegenden Dichtung in Form einer Schweißnaht zwei aufeinanderliegende Abschnitte der beiden Schalen erfordert, während die außenliegenden Dichtungen grundsätzlich auf erhöhten Abschnitten der jeweiligen Schalen angeordnet werden, damit die Höhe der Dichtungen selbst gering gehalten werden kann. Nebeneinander angeordnete Dichtungen benötigen jedoch relativ viel Platz, was in relativ großen Abmessungen der Bipolarplatte und damit des Brennstoffzellenstacks resultiert. Teilweise sind 20% bis 25% der von den Bipolarplatten ausgebildeten Gesamtgrundfläche ausschließlich für die Anordnung von Dichtungen vorgesehen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, eine vorteilhafte Integration von Dichtungen in eine Bipolarplatte aufzuzeigen.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Bipolarplatte gemäß Anspruch 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte zumindest teilweise mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildet wird.
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Der Einsatz dieser Rapid-Technology-Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in geringer Stückzahl und insbesondere von Prototypen ist grundsätzlich bekannt. Dabei wird aus einem formlosen Material, beispielsweise einem Metallpulver, ein dreidimensionales Bauteil hergestellt, indem das pulverförmige Ausgangsmaterial, ausgehend von einer Grundplatte, schichtweise mittels beispielsweise eines Lasers in der für die jeweilige Schicht vorgesehenen Fläche verfestigt wird, wobei sich das verfestigte Material der gerade bearbeiteten Schicht mit dem verfestigten Material der darunter liegenden Schicht verbindet. Insbesondere das Elektronenstrahlschmelzen, das Laserauftragsschweißen, das Strahlschmelzen, die Stereo-Lithographie sowie das selektive Lasersintern gehören zu den Rapid-Technologies-Verfahren.
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Der Erfindung lag dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Rapid-Technology-Verfahren den Vorteil aufweisen, dass äußerst komplex geformte und auch beliebige Hohlstrukturen aufweisende Bauteile einteilig herstellbar sind. Dieser Vorteil kann dazu ausgenutzt werden, eine regelmäßig ebenfalls Hohlstrukturen aufweisende Bipolarplatte vorzugsweise einteilig auszubilden. Dadurch kann insbesondere auf die Anordnung oder Ausbildung innenliegender Dichtungen verzichtet werden, beziehungsweise die entsprechende Abdichtung von unterschiedliche Fluide (Reaktionspartner oder Kühlmedium) führenden Hohlräumen kann durch die massive Ausbildung von diese Hohlräume trennenden Bereichen der Bipolarplatte beziehungsweise eines Grundkörpers der Bipolarplatte erreicht werden.
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Insbesondere kann mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Bipolarplatte hergestellt werden, die zwei sich gegenüberliegende, von einem Grundkörper der Bipolarplatte getrennte Dichtungen, die insbesondere aus einem von dem Material des Grundkörpers abweichenden Material ausgebildet werden, aufweist, wobei zumindest ein zwischen den Dichtungen liegender Abschnitt des Grundkörpers mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildet wird.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass dieser zwischen zwei Dichtungen liegende Abschnitt mit einer größeren Dicke (in Richtung normal zur größten von der Bipolarplatte ausgebildeten Fläche) als ein oder vorzugsweise beide zu diesem Abschnitt direkt benachbarten Bereiche der Bipolarplatte ausgebildet werden. Dadurch wird ermöglicht, eine vorgegebene Dicke der Bipolarplatte im Bereich der Dichtungen primär mittels des Grundkörpers auszubilden, während die Dichtungen selbst relativ dünn ausgebildet werden können. Dadurch kann der Materialeinsatz für die Dichtungen, die beispielsweise zumindest teilweise aus einem Silikon/Elastomer ausgebildet werden können, gering gehalten werden. Dies ermöglicht insbesondere, das Gewicht der Bipolarplatte gering zu halten. Insbesondere gilt dies, wenn, wie es vorzugsweise vorgesehen sein kann, der zwischen den Dichtungen liegende Abschnitt der Grundplatte nicht vollständig massiv, sondern ganz oder teilweise hohl oder porös, d. h. mit einer Vielzahl von (teilweise) verbundenen oder nicht verbundenen Hohlräumen, und damit mit einem relativ geringen Gewicht ausgebildet wird. Ein poröses Ausbilden von Strukturen mittels eines Rapid-Technologies-Verfahren ist problemlos und insbesondere ohne wesentlichen Mehraufwand möglich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der gesamte Grundkörper, zumindest jedoch der gesamte zwischen den Dichtungen liegende Abschnitt des Grundkörpers mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildet wird. Dadurch können die erfindungsgemäßen Vorteile am einfachsten und konsequentesten umgesetzt werden.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein oder mehrere Einsätze mittels eines Rapid-Technologies-Verfahren auszubilden, die dann, beispielsweise während der Montage der Bipolarplatte, in einen in konventioneller Weise aus zwei Schalen ausgebildeten Grundkörper eingesetzt werden. Insbesondere dann, wenn die mittels des Rapid-Technologies-Verfahren hergestellten Einsätze porös ausgebildet werden, kann durch diese eine abstützende Wirkung für den Grundkörper bei gleichzeitig fluidleitender Funktion der Einsätze erreicht werden. Insbesondere bei einer aus Schalen zusammengesetzten Bipolarplatte, bei der der zwischen zwei gegenüberliegenden Dichtungen ausgebildete Abschnitt des Grundkörpers verdickt und damit mit einem (gegebenenfalls auch eine fluidleitende Funktion aufweisenden) Hohlraum ausgebildet ist, kann dieser Hohlraum gut mittels eines porösen Einsatzes abgestützt werden, ohne auf die fluidleitende Funktion des dann ausgefüllten Hohlraums verzichten zu müssen. Demnach kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der zwischen zwei Dichtungen liegende Abschnitt mit zwei Platten (z. B. als Teil von zwei Schalen) und einem zwischen den Platten liegenden Zwischenstück (bzw. Einsatz) ausgebildet wird, wobei das Zwischenstück mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildet wird.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, das Rapid-Technology-Verfahren zusätzlich oder ausschließlich zur Beschichtung von beispielsweise dem Grundkörper der Bipolarplatte einzusetzen. Dadurch können beispielsweise bestimmte vorteilhafte Oberflächeneigenschaften (insbesondere hinsichtlich der Oberflächenrauigkeit), wie beispielsweise definierte elektrische Kontaktwiderstände, erzeugt werden. Als Material kann beispielsweise TiN, Ti oder C zum Einsatz kommen. Gegebenenfalls kann dadurch ermöglicht werden, auf die bekannte Beschichtung von Kontaktstellen der Bipolarplatte mit z. B. Gold, was einer Reduzierung der Kontaktwiderstände dient, zu verzichten. Insbesondere kann somit vorgesehen sein, dass der Grundkörper der Bipolarplatte im Wesentlichen konventionell aus mindestens zwei, vorzugsweise einen oder mehrere Hohlräume ausbildenden Platten, insbesondere in Form von umgeformten Schalen, ausgebildet wird, wobei zumindest eine der Platten mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens beschichtet wird.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass zumindest der mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildete Teil der Bipolarplatte thermisch nachbehandelt wird, beispielsweise durch Sintern, Tempern, etc.. Dadurch können die Eigenschaften der die Bipolarplatte ausbildenden Materialen vorteilhaft beeinflusst werden. Es können beispielsweise bei dem mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ausgebildeten Teil der Bipolarplatte mehrere Schichten aus verschiedenen Materialien aufgedampft sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle gelöst, die durch ein Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist. Bevorzugt ist eine Bipolarplatte, die an einer oder beiden Seiten zentral eine Funktionsfläche aufweist, wobei in zumindest eine der Funktionsflächen eine poröse Platte, die durch ein Rapid-Technology-Verfahren hergestellt ist, eingelegt oder eine auf zumindest eine der Funktionsflächen eine Beschichtung aufgebracht ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer perspektivischen Darstellung;
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2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt der Bipolarplatte gemäß der 1; und
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3 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer alternativen, erfindungsgemäßen Bipolarplatte, und
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4 eine weitere erfindungsgemäße Bipolarplatte in einer perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte 10 mit einem Grundkörper 1. Der Grundkörper 1 ist flächig ausgebildet; seine Dicke (z-Richtung) ist somit deutlich kleiner als die Breite (y-Richtung) und Länge (x-Richtung). Insbesondere betragen die Breite und die Länge des Grundkörpers 1 ein (größerzahliges) Vielfaches von dessen Dicke.
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Zentral in jeder dieser Oberseiten ist eine Funktionsfläche 2 vorgesehen. Diese kann mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden, offenen Gaskanälen (nicht dargestellt) versehen sein. Mittels dieser Gaskanäle können die Reaktionsgase (eines auf jeder Seite der Bipolarplatte 10) großflächig über den Funktionsflächen 2 verteilt werden, um einen entsprechend großflächigen Kontakt der Reaktionsgase mit den über jeweils eine Gasdiffusionslage (nicht dargestellt) an den Funktionsflächen anliegenden Elektroden (Anode oder Kathode, nicht dargestellt) zu erreichen.
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Ein Zu- und Abführen der Reaktionsgase zu den Gaskanälen der Funktionsflächen 2 der Bipolarplatte 10 erfolgt über in z-Richtung verlaufende Gasführungskanäle 3. Dabei sind im Bereich beider längsaxialer Enden der Bipolarplatte 10 jeweils zwei Gasführungskanäle 3 vorgesehen, von denen jeweils einer zur Führung eines der Reaktionsgase vorgesehen ist.
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Ein Brennstoffzellenstack besteht aus einer Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen sowie die Einzelbrennstoffzellen trennenden Bipolarplatten 10 (entsprechend der in der 1 dargestellten Bipolarplatte). Während im Bereich der Funktionsflächen 2 die Gasdiffusionslagen, die Elektroden sowie jeweils eine Elektrolytschicht, die beispielsweise in Form einer Membran ausgebildet sein kann, zwei benachbarte Bipolarplatten 10 voneinander trennt, sind diese in ihren Randbereichen direkt benachbart zueinander angeordnet. Einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen den Bipolarplatten 10 verhindert dabei eine umlaufende Dichtung 4 aus elektrisch isolierendem Material (z. B. Silikon oder Kapton) auf beiden Seiten jeder zweiten der Bipolarplatten 10. Diese Dichtungen verhindern auch eine ungewollte Vermischung der Reaktionsgase sowie deren unkontrollierten Austritt aus dem Brennstoffzellenstack.
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Mittels der in Hochrichtung des Brennstoffzellenstacks verlaufenden Gasführungskanäle 3 erfolgt eine kombinierte Zu- und Abführung der Reaktionsgase zu den Gaskanälen aller Bipolarplatten 10. Dabei sorgen Unterbrechungen in den Dichtungen 4 dafür, dass die Reaktionsgase aus den Gasführungskanälen 3 auf den entsprechenden Seiten der Bipolarplatten 10 in die Gaskanäle der entsprechenden Funktionsflächen 2 überströmen können.
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Wegen der zwischen zwei Bipolarplatten anzuordnenden Funktionskomponenten (Gasdiffusionslagen, Elektroden und Elektrolytschicht) weisen benachbarte Bipolarplatten einen definierten Abstand zueinander auf. Dieser Abstand wird in den Bereichen der Dichtungen 4 überbrückt. Um die Dichtungen selbst dabei mit einer vergleichsweise geringen Dicke (in z-Richtung) ausgestalten zu können, ist bei der in der 1 dargestellten Bipolarplatte 10 vorgesehen, die die Dichtung 4 tragenden, die Funktionsfläche 2 und die Gasführungskanäle 3 rahmenförmig umgebenden Abschnitte des Grundkörpers 1 als die dazu benachbarten Bereiche dicker auszubilden. Der in der 2. dargestellte teilweise Längsschnitt entlang der Ebene II in der 1 verdeutlicht dies. Dort ist die verdickte Ausgestaltung eines Abschnitts des Grundkörpers 1, der zwischen zwei sich gegenüberliegenden Abschnitten der Dichtungen 4 der Bipolarplatte 10 angeordnet ist, dargestellt.
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Der Grundkörper 1 der Bipolarplatte 10 der 2 ist einteilig mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens aus einem metallischen oder graphitischen Ausgangsmaterial hergestellt worden. Dies weist den Vorteil einer nahezu beliebigen Formgebung für den Grundkörper 1 auf. Insbesondere kann der regelmäßig sehr dünne Grundkörper 1 (Normaldicke: 0,5 bis 1 mm; Maximaldicke: ca. 2 mm) problemlos mit der vorgesehenen variierenden Dicke ausgebildet werden. Der zwischen den Dichtungen 4 angeordnete, vergleichsweise dicke Abschnitt des Grundkörpers 1 kann dabei massiv, d. h. mit einer im Wesentlichen geschlossenen Materialstruktur oder auch (teilweise) porös ausgebildet werden, was durch die Herstellung des Grundkörpers 1 der Bipolarplatte 10 mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens ohne wesentlichen Aufwand möglich ist und gleichzeitig zu einer Materialeinsparung und damit auch zu einem geringeren Gewicht der Bipolarplatte 10 führt. Eine teilweise poröse Ausgestaltung kann auch dazu vorgesehen sein, definierte Innenabschnitte des Grundkörpers 1 zur Führung der Reaktionsgase oder auch eines Kühlfluids zu nutzen. Dabei können mehrere, unterschiedliche Fluide führende (poröse) Innenabschnitte durch die Ausbildung massiver Trennabschnitte voneinander getrennt und damit ein ungewolltes Vermischen der Fluide vermieden werden. Anstelle von porösen, fluidführenden Innenabschnitten können bei der Herstellung des Grundkörpers 1 mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens auch hohle Kühlkanäle ausgebildet werden. Ein Vorteil von porös ausgestalteten, fluidführenden Innenabschnitten kann jedoch in einer besseren mechanischen Stabilität des Grundkörpers 1 liegen, was insbesondere in den zwischen den Dichtungen 4 liegenden Abschnitten des Grundkörpers 1 von Bedeutung ist, denn zur Verwirklichung Ihrer Dichtungsfunktion kann vorgesehen sein, dass die Dichtungen 4 in z-Richtung komprimiert werden, wozu die Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstacks mit definierter Kraft gegeneinander gedrückt werden. Die dabei auf die Dichtungen 4 wirkenden Kräfte werden von dem zwischen den Dichtungen 4 liegenden Abschnitten der Grundkörper 1 der Bipolarplatten abgestützt.
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In einer alternativen, in der 3 dargestellten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 10 kann daher auch vorgesehen sein, einen Grundkörper 1 mit im Wesentlichen konventionellem Aufbau durch einen oder mehrere, mittels eines Rapid-Technology-Verfahrens hergestellte Einsätze 5 in dem zwischen den Dichtungen 4 liegenden Abschnitten zu verstärken. Der Grundkörper 1 kann somit zwei plattenförmige, umgeformte (Halb-)Schalen 6 aufweisen, die übereinander gelegt, den Grundkörper 1 mit kanalförmigen Hohlstrukturen ausbilden. In diese Hohlstrukturen sind die vorzugsweise porös ausgebildeten Einsätze 5 als Zwischenstücke eingesetzt. Diese sorgen bei nur geringem Mehrgewicht im Vergleich zu einer hohlen Ausgestaltung für eine bessere mechanische Stabilität der entsprechenden Abschnitte des Grundkörpers 1. Eine gegebenenfalls vorgesehene Nutzung der Hohlstrukturen zur Fluidführung wird dabei durch die poröse Ausgestaltung der Einsätze 5 weiterhin ermöglicht.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Bipolarplatte 10, wie in 1 dargestellt. Zusätzlich zur Bipolarplatte 10 gemäß 1 weist die Bipolarplatte 10 in 4 eine poröse Platte 7 auf, die in die Funktionsfläche 2 eingelegt ist, oder eine Beschichtung 7, die auf die Funktionsfläche 2 aufgebracht ist, auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Funktionsfläche
- 3
- Gasführungskanal
- 4
- Dichtung
- 5
- Einsatz
- 6
- Schale
- 7
- poröse Platte oder Beschichtung
- 10
- Bipolarplatte
