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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, welche mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode umfasst, aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Brennstoffzelle.
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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.
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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 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 es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion 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 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. 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 Verteilbereich auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle vorgeschlagen. Die Brennstoffzelle weist dabei mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte, welche einen ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode und einen zweiten Verteilbereich zur Verteilung eines Oxidationsmittels an die zweite Elektrode umfasst, auf. Das Verfahren umfasst dabei mehrere Schritte, welche nachfolgend erläutert werden.
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In einem Schritt a) wird ein flaches Gewebes erzeugt. Unter einem Gewebe ist im Sinn der vorliegenden Erfindung eine Struktur zu verstehen, welche aus miteinander verwobenen Drähten, Fäden oder Fasern gebildet ist. Das Gewebe ist dabei verhältnismäßig flach ausgebildet. Das Gewebe erstreckt sich somit in einer Fläche deutlich weiter als in einer Richtung, welche senkrecht auf dieser Fläche steht.
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In einem Schritt b) wird das Gewebe zwischen zwei Rollen, welche jeweils eine strukturierte Oberfläche aufweisen, durchgeführt. Das Gewebe wird dabei von den Rollen verformt. Insbesondere wird das Gewebe dadurch derart verformt, dass Erhebungen des Gewebes entstehen. Das Gewebe, welches nun die Erhebungen aufweist, bildet eine Verteileinheit.
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In einem Schritt c) wird die so entstandene Verteileinheit in mindestens einem Verteilbereich der mindestens einen Bipolarplatte angeordnet. Vorzugsweise wird die Verteileinheit in dem zweiten Verteilbereich angeordnet, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels an die zweite Elektrode sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient. Die Verteileinheit kann aber auch, alternativ oder zusätzlich, in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs an die erste Elektrode angeordnet werden.
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Die beiden Rollen, zwischen denen das Gewebe durchgeführt wird, rotieren jeweils um eine Drehachse, wobei die Drehachsen der beiden Rollen parallel zueinander verlaufen. Dabei rotieren die beiden Rollen mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit in gegenläufige Richtung. Insbesondere rotieren die beiden Rollen derart, dass die strukturierten Oberflächen sich in einem Bereich, in welchem das Gewebe durchgeführt wird, sich in die gleiche Transportrichtung bewegen wie das Gewebe.
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Die beiden Rollen sind vorzugsweise annähernd kreiszylindrisch und damit rotationssymmetrisch zu ihrer Drehachse ausgebildet. Eine Richtung, welche sich entlang der Drehachse erstreckt, wird im Folgenden als Axialrichtung bezeichnet. Eine Richtung, welche sich von der Drehachse nach außen auf die Oberfläche zu erstreckt, wird im Folgenden als Radialrichtung bezeichnet. Eine Richtung, welche sich tangential entlang der Oberfläche erstreckt, wird im Folgenden als Umfangsrichtung bezeichnet. Die Radialrichtung ist dabei rechtwinklig zu der Axialrichtung und rechtwinklig zu der Umfangsrichtung orientiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die strukturierten Oberflächen der beiden Rollen Vorsprünge auf. Unter einen Vorsprung ist in diesem Zusammenhang eine lokal begrenzte Ausdehnung in Radialrichtung zu verstehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen geradlinig in Axialrichtung.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen geradlinig geneigt zu der Axialrichtung und geneigt zu der Umfangsrichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die besagten Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen in Umfangsrichtung pendelnd in Axialrichtung. Vereinfacht ausgedrückt verlaufen die Vorsprünge der strukturierten Oberflächen der beiden Rollen in Schlangenlinien, beziehungsweise zickzackförmig.
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Vorteilhaft ist das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, porös und elektrisch leitfähig ausgebildet. Somit ist die Verteileinheit für das Oxidationsmittel sowie für den Brennstoff und auch für abzuleitendes Wasser durchlässig. Ferner stellt die Verteileinheit eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode her. Somit kann die Verteileinheit die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle freigesetzten Elektronen leiten.
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Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Metall enthaltende Faser auf. Die Metall enthaltende Faser stellt insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der Verteileinheit sicher. Als mögliche Materialien für die Metall enthaltende Faser eignen sich beispielsweise Titan, Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl.
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Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Kohlenstoff enthaltende Faser auf. Die Kohlenstoff enthaltende Faser ist besonders korrosionsbeständig und erhöht zusätzlich die erforderliche mechanische Stabilität der Verteileinheit.
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Das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, weist vorteilhaft mindestens eine Kunststoff enthaltende Faser auf. Die Kunststoff enthaltende Faser ist im Vergleich zu Fasern aus anderen Materialien verhältnismäßig leicht und reduziert somit das Gewicht der Verteileinheit. Ferner ist die Kunststoff enthaltende Faser kostengünstig und korrosionsresistent.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Gewebe, aus welchem die Verteileinheit gebildet wird, mindestens zwei unterschiedliche Arten von Fasern auf. Somit können vorteilhafte Eigenschaften der Verteileinheit anwendungsspezifisch optimiert werden. Unter einer Faser ist in diesem Zusammenhang auch ein Draht oder ein Faden zu verstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Verteileinheit derart in dem Verteilbereich der Bipolarplatte angeordnet, dass die Erhebungen des Gewebes eine der Elektroden berühren. Wenn die Verteileinheit in dem zweiten Verteilbereich angeordnet ist, welcher zur Verteilung des Oxidationsmittels sowie zur Ableitung von bei der Reaktion entstandenem Wasser dient, so berühren die Erhebungen die zweite Elektrode. Wenn die Verteileinheit in dem ersten Verteilbereich zur Verteilung eines Brennstoffs angeordnet ist, so berühren die Erhebungen die erste Elektrode.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt, wobei in mindestens einem Verteilbereich der Bipolarplatten eine Verteileinheit angeordnet ist.
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Vorteile der Erfindung
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Mittels der Verteileinheit, welche aus einem Gewebe mit Erhebungen gebildet ist, können gezielt Strukturen zur Verteilung der Reaktionsgase in einem Verteilbereich der Bipolarplatte ausgebildet werden. Gewebe sind, insbesondere im Vergleich zu Schäumen, sehr einfach und kostengünstig herzustellen. Beim Durchströmen der Verteileinheit mit einem Gas, insbesondere dem Brennstoff oder dem Oxidationsmittel, entsteht nur ein verhältnismäßig geringer Druckverlust in der Bipolarplatte. Die Verformung des flachen Gewebes mittels der Rollen mit strukturierten Oberflächen ist dabei besonders einfach und kostengünstig im Vergleich zu anderen Umformtechniken wie beispielsweise Prägen. Insbesondere kann das Gewebe kontinuierlich zwischen den Rollen durchgeführt werden. Dabei ist das Gewebe nicht, wie beispielsweise beim Prägen, eingespannt und die Verformungen können durch Nachziehen von weiterem Gewebe erreicht werden Dadurch ist die Auswahl an möglichen Geometrien im Vergleich zum Prägen deutlich erweitert. Durch Variation des Abstandes der Drehachsen der beiden Rollen zueinander können Form und Größe der Erhebungen weiter angepasst 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 eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
- 2 eine schematische Darstellung der Herstellung einer Verteileinheit,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer ersten Variante,
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer ersten Variante,
- 5 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer zweiten Variante,
- 6 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer zweiten Variante,
- 7 eine perspektivische Darstellung einer Rolle gemäß einer dritten Variante,
- 8 eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit gemäß einer dritten Variante und
- 9 einen Schnitt durch eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels aus 1.
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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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 10 auf, die eine erste Elektrode 21, eine zweite Elektrode 22 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 21, 22 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 21 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 22 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-Ionen, durchlässig.
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Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Membran-Elektroden-Einheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils einen ersten Verteilbereich 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, welcher der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch einen zweiten Verteilbereich 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, welcher der Kathode 22 zugewandt ist. Der zweite Verteilbereich 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser. In dem zweiten Verteilbereich 60 ist eine Verteileinheit 30 angeordnet.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen vorliegend einen dritten Verteilbereich 70, welcher zwischen dem ersten Verteilbereich 50 und dem zweiten Verteilbereich 60 angeordnet ist. Der dritte Verteilbereich 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 und damit zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und des Brennstoffzellenstapels 5.
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Der erste Verteilbereich 50 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine erste Trennplatte 75 voneinander getrennt. Die zweite Verteilbereich 60 und der dritte Verteilbereich 70 sind durch eine zweite Trennplatte 76 voneinander getrennt. Die Trennplatten 75, 76 der Bipolarplatten 40 sind vorliegend als dünne metallische Bleche ausgebildet.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über den ersten Verteilbereich 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über den zweiten Verteilbereich 60 mit der Verteileinheit 30 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen, also Wasserstoffionen, oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Herstellung einer Verteileinheit 30. Eine Metall enthaltende Faser 81, eine Kohlenstoff enthaltende Faser 82 und eine Kunststoff enthaltende Faser 83 werden einer Webvorrichtung 85 zugeführt. In der Webvorrichtung 85 wird durch Weben der Metall enthaltenden Faser 81, der Kohlenstoff enthaltenden Faser 82 und der Kunststoff enthaltenden Faser 83 ein flaches Gewebe 80 erzeugt.
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Das flache Gewebe 80 wird zwischen zwei Rollen 90 durchgeführt, welche jeweils eine strukturierte Oberfläche 93 aufweisen. Die beiden Rollen 90 rotieren jeweils um eine Drehachse A, wobei die Drehachsen A der beiden Rollen 90 parallel zueinander verlaufen. Die beiden Rollen 90 rotieren mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit in gegenläufige Richtung, wie durch die beiden Richtungspfeile B angedeutet ist.
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Die beiden Rollen 90 sind annähernd kreiszylindrisch und somit annähernd rotationssymmetrisch zu ihrer Drehachse A ausgebildet. Eine Richtung, welche sich entlang der Drehachse A erstreckt, wird im Folgenden als Axialrichtung X bezeichnet. Eine Richtung, welche sich von der Drehachse A nach außen auf die Oberfläche 93 zu erstreckt, wird im Folgenden als Radialrichtung R bezeichnet. Eine Richtung, welche sich tangential entlang der Oberfläche 93 erstreckt, wird im Folgenden als Umfangsrichtung U bezeichnet. Die Radialrichtung R ist dabei rechtwinklig zu der Axialrichtung X und rechtwinklig zu der Umfangsrichtung U orientiert.
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Die strukturierten Oberflächen 93 der beiden Rollen 90 weisen entlang der Umfangsrichtung U Vorsprünge 95 auf. Unter einem Vorsprung 95 ist in diesem Zusammenhang eine lokal begrenzte Ausdehnung in Radialrichtung R zu verstehen. Beim Durchführen des Gewebes 80 zwischen den zwei Rollen 90 wird das Gewebe 80 von den Vorsprüngen 95 derart verformt, dass Erhebungen 32 des Gewebes 80 entstehen. Das Gewebe 80, welches nun die Erhebungen 32 aufweist, bildet dann die Verteileinheit 30.
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In einem folgenden Schritt erfolgt ein Zuschneiden der Verteileinheit 30 auf gewünschte, beziehungsweise erforderliche Abmessungen. Das Zuschneiden der Verteileinheit 30 erfolgt beispielsweise mittels Ausstanzen oder Laserschneiden.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer ersten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche geradlinig in Axialrichtung X verlaufen.
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4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer ersten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der ersten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen geradlinig und parallel zueinander.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer zweiten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche in Umfangsrichtung U pendelnd in Axialrichtung X verlaufen. Vereinfacht ausgedrückt verlaufen die Vorsprünge 95 in Schlangenlinien oder zickzackförmig auf der Oberfläche 93.
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer zweiten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der zweiten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen in Schlangenlinien und gleichmäßig beabstandet zueinander.
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7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rolle 90 gemäß einer dritten Variante. Die strukturierte Oberfläche 93 der Rolle 90 weist Vorsprünge 95 auf, welche geradlinig geneigt zur Axialrichtung X und geneigt zur Umfangsrichtung U verlaufen.
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8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Verteileinheit 30 gemäß einer dritten Variante, welche mittels zweier Rollen 90 gemäß der dritten Variante hergestellt ist. Die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 verlaufen geradlinig und parallel zueinander. Dabei verlaufen die Erhebungen 32 der Verteileinheit 30 geneigt zu den die Verteileinheit 30 begrenzenden Kanten.
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9 zeigt einen Schnitt durch eine Bipolarplatte 40 des Brennstoffzellenstapels 5 aus 1, welche zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet ist. Die Trennplatten 75, 76 sind als flache dünne metallische Bleche ausgebildet und bilden zwischen sich den dritten Verteilbereich 70 zur Durchleitung des Kühlmittels. Zwischen der ersten Trennplatte 75 und der Anode 21 der benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der erste Verteilbereich 50.
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Zwischen der zweiten Trennplatte 76 und der Kathode 22 der anderen benachbarten Membran-Elektroden-Einheit 10 befindet sich der zweite Verteilbereich 60, in welchem eine Verteileinheit 30 angeordnet ist. Die Verteileinheit 30 ist derart angeordnet, dass die Erhebungen 32 des Gewebes 80 die Kathode 22 berühren. Ferner berührt die Verteileinheit 30 auch die zweite Trennplatte 76.
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Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird in einer ersten Strömungsrichtung 43 in den ersten Verteilbereich 50 geleitet. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, wird in einer zweiten Strömungsrichtung 44 in den zweiten Verteilbereich 60 geleitet. Vorliegend verlaufen die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 parallel zueinander. Es ist auch denkbar, dass die erste Strömungsrichtung 43 und die zweite Strömungsrichtung 44 entgegengesetzt oder auch orthogonal zueinander verlaufen.
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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]
