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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, wobei ein plattenförmiges Werkstück erzeugt wird, und wobei eine Medienverteilerstruktur in das plattenförmige Werkstück eingebracht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Bipolarplatte umfasst, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, welche mit Methanol oder Methan arbeiten.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton-Exchange-Membran = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die ausschließlich für Protonen, also nur für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
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Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Anionen reduziert. Die Anionen reagieren mit den Protonen, welche durch die Membran zu der Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet.
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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 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an der Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an der Kathode sind Verteilerplatten vorgesehen, welche auch als Bipolarplatten bezeichnet werden. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels auf. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Aus der
DE 10 2012 221 730 A1 ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilerstruktur auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase sowie einer Kühlflüssigkeit vorgesehen sind. Zwischen den beiden Plattenhälften ist ein Kühlmittelraum vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2014 207 594 A1 ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle. Ferner sind mehrere Wärmerohre vorgesehen, durch welche ein Kühlmedium durch die Bipolarplatte geleitet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird dabei expandierter Graphit, insbesondere in einer geeigneten Presse, zu einem plattenförmigen Werkstück verpresst, und in das plattenförmige Werkstück wird mindestens eine Medienverteilerstruktur eingebracht.
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Die besagte Medienverteilerstruktur kann dabei in dem gleichen Arbeitsgang in das plattenförmige Werkstück eingebracht werden, in dem die Verpressung stattfindet. Es ist aber auch denkbar, dass zunächst das plattenförmige Werkstück erzeugt wird, und dass in einem folgenden, separaten Arbeitsgang die mindestens eine Medienverteilerstruktur in das plattenförmige Werkstück eingebracht wird.
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Die Medienverteilerstruktur dient beispielsweise zur Verteilung von Reaktionsgasen, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft in der Brennstoffzelle. Die Medienverteilerstruktur kann auch zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme vorgesehen sein.
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Zur Herstellung von expandiertem Graphit wird Naturgraphit mit mindestens einer Säure behandelt. Insbesondere finden dafür Salzsäure, Schwefelsäure und Flusssäure Verwendung, zum Teil einzeln oder auch als Mischung in Form von konzentrierten Säuren. Der Naturgraphit liegt dabei beispielsweise in Form von Schuppen oder Flocken vor. Der so behandelte Naturgraphit wird auf eine Temperatur von mindestens 1000°C erwärmt. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Partikel des Naturgraphits um einen Faktor 200–400. Dadurch entstehen Graphitwürmchen, die als expandierter Graphit bezeichnet werden.
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Beim Verpressen des so hergestellten expandierten Graphits erfolgt eine Verzahnung, beziehungsweise eine Verhakung der besagten Graphitwürmchen miteinander. Durch diese Verzahnung der Graphitwürmchen miteinander erhält das durch die Verpressung hergestellte plattenförmige Werkstück eine verhältnismäßig hohe mechanische Festigkeit.
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Der expandierte Graphit wird vorzugsweise in einer dafür vorgesehenen Prägeform mit einer Flächenpressung von mindestens 104 N/m2 verpresst. Besonders bevorzugt wird der expandierte Graphit mit einer Flächenpressung von 106 N/m2 verpresst. Durch die Prägeform wird die geometrische Kontur des plattenförmigen Werkstücks sowie der Bipolarplatte vorgegeben. Bei der besagten Flächenpressung erhält die Bipolarplatte eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit.
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Wie bereits erwähnt, kann die Medienverteilerstruktur in dem gleichen Arbeitsgang in das plattenförmige Werkstück eingebracht werden, in dem die Verpressung stattfindet. Dazu weist eine Oberfläche der Prägeform vorteilhaft eine Strukturierung auf. Die Strukturierung der Oberfläche der Prägeform entspricht dabei einer Negativkontur der zu erstellenden Medienverteilerstruktur in der Bipolarplatte.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Strukturierung der Oberfläche der Prägeform homogen ausgestaltet.
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Gemäß einer anderen möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Strukturierung der Oberfläche der Prägeform inhomogen ausgestaltet.
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Insbesondere kann die Strukturierung der Oberfläche der Prägeform gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung eine Graduierung aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung der Bipolarplatte beidseitig je eine Medienverteilerstruktur in das plattenförmige Werkstück eingebracht. Beispielweise dient die Medienverteilerstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte zur Verteilung von Wasserstoff, und die Medienverteilerstruktur auf der anderen Seite der Bipolarplatte dient zur Verteilung von Sauerstoff oder Luft in der Brennstoffzelle.
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Auch ist denkbar, dass die Medienverteilerstruktur auf einer Seite der Bipolarplatte zur Verteilung eines Reaktionsgases, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, beziehungsweise Luft, in der Brennstoffzelle dient, und dass die Medienverteilerstruktur auf der anderen Seite der Bipolarplatte zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme vorgesehen ist.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Bipolarplatte umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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Vorteile der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind Bipolarplatten für Brennstoffzellen herstellbar, die verhältnismäßig dünn sind, aber trotzdem eine verhältnismäßig hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Dadurch sind Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellenstapel kompakter ausführbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung von Bipolarplatten auch verhältnismäßig kostengünstig, insbesondere, weil Graphit als Rohstoff kostengünstig verfügbar ist. Ferner sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bipolarplatten elektrisch leitfähig und korrosionsbeständig, insbesondere gegen das chemisch reine Wasser, das bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht. Die Bipolarplatten sind ebenso korrosionsbeständig gegen Sulfonsäuregruppen, die bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entstehen können. Vorteilhaft kann die Medienverteilerstruktur derart konstruiert werden, dass Reaktionsgase sowie Kühlflüssigkeit optimal, insbesondere mit geringem Druckverlust, durch die Bipolarplatte geleitet werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
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2 einen schematischen Verfahrensablauf der Herstellung und Verpressung von expandiertem Graphit,
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3 eine Prägeform,
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4 eine Oberfläche einer Prägeform mit homogener Strukturierung und
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5 eine Oberfläche einer Prägeform mit inhomogener Strukturierung.
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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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In 1 ist eine Brennstoffzelle 2 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Terminals 11, 12 über einen externen Stromkreis.
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Die Brennstoffzelle 2 weist eine erste Anschlussstelle 31 auf, welche zur Zuführung eines Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner eine zweite Anschlussstelle 32 auf, welche zur Zuführung eines Oxidationsmittels, vorliegend Luftsauerstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist auch eine dritte Anschlussstelle 33 auf, welche zur Ableitung von entstandenem Wasser dient.
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Weiterhin weist die Brennstoffzelle 2 eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine Membran 18 auf. Die Membran 18 ist dabei zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 angeordnet. Die Anode 21, die Kathode 22 und die Membran 18 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Einheit 10, welche zentral innerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist.
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Auf der Seite der Anode 21 ist eine erste Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der ersten Anschlussstelle 31 verbunden ist. Die erste Bipolarplatte 40 weist eine Medienverteilerstruktur 45 auf, über welche der Brennstoff, der über die erste Anschlussstelle 31 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Anode 21 weiter geleitet wird. Die erste Bipolarplatte 40 ist elektrisch leitfähig und aus Graphit gefertigt.
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Auf der Seite der Kathode 22 ist eine zweite Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der zweiten Anschlussstelle 32 verbunden ist. Die zweite Bipolarplatte 40 weist eine Medienverteilerstruktur 45 auf, über welche das Oxidationsmittel, das über die zweite Anschlussstelle 32 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Kathode 22 weiter geleitet wird. Die zweite Bipolarplatte 40 ist ebenfalls elektrisch leitfähig und aus Graphit gefertigt.
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Ferner ist die auf der Seite der Kathode 22 angeordnete zweite Bipolarplatte 40 mit der dritten Anschlussstelle 33 verbunden. Über die Medienverteilerstruktur 45 der zweiten Bipolarplatte 40 wird auch das im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehende Wasser über die dritte Anschlussstelle 33 aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet.
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Die Bipolarplatten 40 weisen weiterhin hier nicht dargestellte Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 2 auf. Somit ist eine Abführung von im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehender Wärme und damit eine Kühlung der Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
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Zwischen der Anode 21 und der ersten Bipolarplatte 40 ist eine erste Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die erste Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Schaum gefertigt. Die erste Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilstruktur 45 der ersten Bipolarplatte 40 zugeführten Brennstoffs zu der Anode 21.
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Zwischen der Kathode 22 und der zweiten Bipolarplatte 40 ist eine zweite Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die zweite Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Schaum gefertigt. Die zweite Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die Medienverteilstruktur 45 der zweiten Bipolarplatte 40 zugeführten Oxidationsmittels zu der Kathode 22.
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Die Anode 21, die erste Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete erste Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Kathode 22, die zweite Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete zweite Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelle 2 verbunden.
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2 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf der Herstellung und Verpressung von expandiertem Graphit 62. Ausgangsstoff ist Naturgraphit 60, der in Teilfigur a) dargestellt ist. Der Naturgraphit 60 liegt dabei beispielsweise in Form von Schuppen oder Flocken vor.
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Zunächst wird der Naturgraphit 60 mit einer Säure behandelt, und der so behandelte Naturgraphit 60 wird auf eine Temperatur von mindestens 1000°C erwärmt. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung der Partikel des Naturgraphits 60 um einen Faktor 200–400. Dadurch entstehen aus dem Naturgraphit 60 Graphitwürmchen 63, die als expandierter Graphit 62 bezeichnet werden. Diese als expandierter Graphit 62 bezeichneten Graphitwürmchen 63 sind in Teilfigur b) dargestellt.
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Der so erzeugte expandierte Graphit 62, beziehungsweise die Graphitwürmchen 63, wird anschließend in einer dafür vorgesehenen Prägeform 65 mit einer Flächenpressung von etwa 105 N/m2 verpresst. Eine Verpressung ist mit 104 N/m2 auch schon denkbar, es ist aber auch eine Verpressung mit 106 N/m2 denkbar. Durch die Gestaltung der Prägeform 65 wird die geometrische Kontur des plattenförmigen Werkstücks und damit der herzustellenden Bipolarplatte 40 vorgegeben. Dieser Vorgang des Verpressens des expandierten Graphits 62, beziehungsweise der Graphitwürmchen 63, ist in Teilfigur c) dargestellt.
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Beim Verpressen des expandierten Graphits 62, beziehungsweise der Graphitwürmchen 63, erfolgt eine Verzahnung, beziehungsweise eine Verhakung der besagten Graphitwürmchen 63 miteinander. Durch diese Verzahnung der Graphitwürmchen 63 miteinander erhält das durch die Verpressung hergestellte plattenförmige Werkstück eine verhältnismäßig hohe mechanische Festigkeit. Dieser Vorgang des Verhakens, beziehungsweise des Verzahnens, der Graphitwürmchen 63 ist in Teilfigur d) dargestellt.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Prägeform 65, welche zur Verpressung von expandiertem Graphit 62 vorgesehen ist. Die Prägeform 65 weist eine Oberfläche 67 auf, auf welcher der zu verpressende expandierte Graphit 62 angeordnet wird. Die Oberfläche 67 der Prägeform 65 ist vorliegend nicht glatt sondern weist eine Strukturierung auf.
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Die Strukturierung der Oberfläche 67 der Prägeform 65 entspricht dabei einer Negativkontur der Medienverteilerstruktur 45 in der herzustellenden Bipolarplatte 40. Beim Verpressen des expandierten Graphits 62, wie in 2 dargestellt, wird somit die Medienverteilerstruktur 45 gleichzeitig in die Bipolarplatte 40 mit eingebracht.
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Wie in 2 dargestellt, ist der expandierte Graphit 62 zwischen zwei Prägeformen 65 aufgenommen. Dabei weist jede der beiden Prägeformen 65 je eine Oberfläche 67 mit einer Strukturierung auf. Dadurch wird beim Verpressen beidseitig je eine Medienverteilerstruktur 45 in das plattenförmige Werkstück, beziehungsweise in die Bipolarplatte 40 eingebracht.
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Dabei dient die Medienverteilerstruktur 45 auf der einen Seite der Bipolarplatte 40 beispielsweise zur Verteilung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle 2, und die Medienverteilerstruktur 45 auf der anderen Seite der Bipolarplatte 40 dient zur Verteilung von Sauerstoff oder Luft in einer benachbart angeordneten Brennstoffzelle 2 in einem Brennstoffzellenstapel.
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Auch ist denkbar, dass die Medienverteilerstruktur 45 auf der einen Seite der Bipolarplatte 40 zur Verteilung von Wasserstoff oder Luft, beziehungsweise Sauerstoff, und die Medienverteilerstruktur 45 auf der anderen Seite der Bipolarplatte 40 zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 2 dient.
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4 zeigt eine Oberfläche 67 einer Prägeform 65 mit einer homogenen Strukturierung. Unter einer homogenen Strukturierung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass Erhebungen und Vertiefungen der Strukturierung zumindest annähernd gleichmäßig über die vollständige Oberfläche 67 der Prägeform 65 verteilt sind.
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5 zeigt eine Oberfläche 67 einer Prägeform 65 mit einer inhomogenen Strukturierung. Unter einer inhomogenen Strukturierung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass Erhebungen und Vertiefungen der Strukturierung ungleichmäßig über die vollständige Oberfläche 67 der Prägeform 65 verteilt sind.
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Vorliegend weist die Strukturierung der Oberfläche 67 der Prägeform 65 eine Graduierung auf. Unter Graduierung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass in einem Teilbereich der Oberfläche 67 der Prägeform 65 Erhebungen stärker ausgebildet sind als Vertiefungen, und dass in einem anderen Teilbereich der Oberfläche 67 der Prägeform 65 Vertiefungen stärker ausgebildet sind als Erhebungen.
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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 102012221730 A1 [0008]
- DE 102014207594 A1 [0009]
