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Die Erfindung betrifft eine Fluidleitbaugruppe, ein Brennstoffzellensystem mit solch einer Baugruppe und ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidleitbaugruppe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fluidleitbaugruppe mit einer in einem Hohlraum eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Verteilplatte und einer Fluidleitung zum Einleiten oder Ausleiten eines Reaktandfluids in/aus einen/einem durch die Verteilplatte definierten Abschnitt des Hohlraums, ein Brennstoffzellensystem mit solch einer Fluidleitbaugruppe, und ein Verfahren zum Herstellen solch einer Fluidleitbaugruppe.
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In herkömmlichen Brennstoffzellen werden in einzelnen Brennstoffzellen Ausnehmungen vorgesehen, die in einem zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel einen Hohlraum bilden, der zum Einleiten oder Ausleiten eines Reaktandfluids dient. Die Hohlräume sind fertigungstechnisch meist rechteckig ausgebildet, wobei Leitungen zum Zuführen bzw. Abführen von Reaktandfluid meist einen runden Querschnitt aufweisen.
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Da jede der Brennstoffzellen an einen solchen Hohlraum angeschlossen ist, wurden Anstrengungen unternommen, das Reaktandfluid möglichst gleichmäßig einströmen oder ausströmen zu lassen und in dem Hohlraum möglichst gleichmäßig zu verteilen, um alle Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel mit Reaktandfluid zu versorgen bzw. von dort abführen zu können. Hierfür wurden spezielle Einlass- und Auslassgeometrien entwickelt, um insbesondere eine gleichmäßige Strömung von dem runden Querschnitt der Leitung in den rechteckigen Hohlraum und umgekehrt zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Fluidleitbaugruppe, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein einfacheres Verfahren zum Herstellen einer Fluidleitbaugruppe bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fluidleitbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Fluidleitbaugruppe für eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel. Jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels weist dabei eine Ausnehmung auf, wobei die Ausnehmungen aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einen zusammenhängenden Hohlraum bilden. Beispielsweise werden Brennstoffzellen (oder die Elemente einer Brennstoffzelle, wie zum Beispiel Bipolarplatte, Membran, Dichtungen, etc.) mittels Stanzen und/oder einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Dabei ist der Aufbau jeder Brennstoffzelle bzw. jedes Brennstoffzellenelements im Wesentlichen gleich. Beim Aufeinanderlegen der einzelnen Brennstoffzellen(elemente) wird der Brennstoffzellenstapel gebildet, wobei beispielsweise Ausnehmungen in den einzelnen Brennstoffzellen(elementen) übereinander einen sich in Stapelrichtung erstreckenden Hohlraum bilden, der seitlich von den Rändern der Ausnehmungen begrenzt wird.
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Ferner umfasst die Fluidleitbaugruppe eine Verteilplatte, die den Hohlraum in zwei Abschnitte unterteilt und eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist. Dabei verbindet jede Durchgangsöffnung die beiden Abschnitte fluidisch miteinander. Mit anderen Worten verbindet jede Durchgangsöffnung gegenüberliegende Seiten der Verteilplatte, sodass ein Querschnitt der Durchgangsöffnungen parallel zu einer durch die Verteilplatte gebildeten Ebene liegt.
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Ferner kann die Fluidleitbaugruppe eine Fluidleitung umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid, insbesondere ein Reaktandfluid, für jede Brennstoffzelle in einen ersten der Abschnitte des Hohlraums einzuleiten oder aus dem ersten der Abschnitte des Hohlraums auszuleiten. Selbstverständlich kann über die Fluidleitung jegliches Fluid (Gas oder Flüssigkeit) in den Hohlraum eingeleitet oder daraus ausgeleitet werden. Beispielhafte Fluide sind Reaktandgase, die in der Brennstoffzelle zu elektrischem Strom gewandelt werden, wie zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, Methan, etc.. Selbstverständlich können auch Flüssigkeiten in den Hohlraum eingeleitet oder daraus ausgeleitet werden. Beispielhaft ist hier Methanol für eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) genannt.
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Durch die Verteilplatte, und insbesondere durch deren Durchgangsöffnungen, kann das in den ersten Abschnitt des Hohlraums eingeleitete Fluid in den übrigen Hohlraum auf der der Fluidleitung gegenüberliegenden Seite der Verteilplatte strömen. Beispielsweise kann das durch die Fluidleitung in den Hohlraum einströmende Fluid eine beliebige Strömungsrichtung aufweisen. Es verteilt sich in dem ersten Abschnitt des Hohlraums und wird über die Durchgangsöffnungen der Verteilplatte gleichmäßig in den übrigen Hohlraum geleitet. Dadurch werden Verwirbelungen des Fluides in dem ersten Abschnitt, insbesondere in Ecken des ersten Abschnitts des Hohlraums aufgelöst und durch die Durchgangsöffnungen wird eine gleichmäßige, beruhigte Strömung erzielt. Gleiches gilt für eine Fluidleitung, die ein Fluid aus dem ersten Abschnitt des Hohlraums ausleitet. Hier bewirkt die Verteilplatte eine gleichmäßige Strömung zu der Fluidleitung hin.
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In einer Ausgestaltungsvariante sind die Durchgangsöffnungen in der Verteilplatte über die Verteilplatte verteilt angeordnet, wobei Bereiche der Verteilplatte zwischen den Durchgangsöffnungen beliebig groß sein können. Um Druckverluste durch die Verteilplatte möglichst zu vermeiden oder zumindest sehr gering zu halten, kann in einer Ausgestaltungsvariante die Verteilplatte aus einer Vielzahl von Stegen bestehen, die die Durchgangsöffnungen begrenzen. Die Stege können dabei zu beiden Seiten die Begrenzung einer jeweiligen Durchgangsöffnung bilden. Unter Stegen ist hier im Vergleich zur Größe einer Durchgangsöffnung ein sehr dünner Abschnitt der Verteilplatte (in Blickrichtung senkrecht zur durch die Verteilplatte gebildeten Ebene) zu verstehen. Mit anderen Worten ist die Materialstärke in einer beliebigen Richtung innerhalb einer durch die Verteilplatte gebildeten Ebene sehr gering, während die Durchgangsöffnungen einen deutlich größeren Flächenanteil in der Ebene der Verteilplatte einnehmen. So können die Stege nur so wenig Material umfassen, also eine so geringe Stärke aufweisen, wie es für die Standfestigkeit der Verteilplatte gerade notwendig ist. Beispielsweise kann ein Verhältnis zwischen der gesamten Fläche der Verteilplatte und der Fläche der Durchgangsöffnungen (bei Betrachtung einer Aufsicht auf die Verteilplatte senkrecht zu einer durch die Verteilplatte gebildeten Ebene) in etwa 1:10 bis 1:50 betragen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann ein Einlasskanal für das Fluid, insbesondere Reaktandfluid, mindestens einer Brennstoffzelle in einen zweiten der Abschnitte des Hohlraums münden. Mit anderen Worten kann das Reaktandfluid von dem durch die Verteilplatte gebildeten zweiten Abschnitt des Hohlraums über den Einlasskanal in die Brennstoffzelle, beispielsweise zu der Membran, und weiter in Richtung eines Auslasses der Brennstoffzelle strömen. Je nach Typ der Brennstoffzelle kann der Einlasskanal beispielsweise mit einer Fluidkanalstruktur einer Bipolarplatte fluidisch verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Auslasskanal für das Fluid, insbesondere Reaktandfluid, mindestens einer Brennstoffzelle in den zweiten der Abschnitte des Hohlraums münden. Dadurch kann das Reaktandfluid aus der Brennstoffzelle (beispielsweise aus einer Fluidkanalstruktur einer Bipolarplatte) in den zweiten Abschnitt des Hohlraums und über die Verteilplatte in den ersten Abschnitt des Hohlraums und weiter zu der Fluidleitung strömen.
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Durch die Anordnung der Fluidleitung auf einer Seite der Verteilplatte, d.h. mit fluidischer Verbindung zu dem ersten Abschnitt des Hohlraums, und des Einlasskanals/Auslasskanals der Brennstoffzelle auf einer anderen Seite der Verteilplatte, d.h. mit fluidischer Verbindung zu dem zweiten Abschnitt des Hohlraums, wird durch die Verteilplatte eine optimale Anströmung der Einlasskanäle der Brennstoffzellen bzw. optimales Abströmen von den Auslasskanälen der Brennstoffzellen bewirkt. Insbesondere können sich Verwirbelungen, die beim Übergang zwischen Fluidleitung und erstem Abschnitt des Hohlraums sowie in dem ersten Abschnitt des Hohlraums entstehen, durch die Verteilplatte nicht fortsetzen, weshalb in Strömungsrichtung des Fluides hinter der Verteilplatte eine gleichmäßige Strömung über die gesamte Höhe des Hohlraums, also auf Höhe jeder Brennstoffzelle (jedes Einlasskanals einer Brennstoffzelle), vorliegt. Dadurch wird ein gleichmäßiges Einströmen des Fluides in jede Brennstoffzelle (in jeden Einlasskanal) ermöglicht und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels verbessert. Gleiches gilt für das Ausströmen des Fluids aus dem Brennstoffzellen in den zweiten Abschnitt des Hohlraums und ein gleichmäßiges Ableiten des Fluids in den ersten Abschnitt des Hohlraums und weiter zur Fluidleitung, wobei die hier entstehende Umlenkung des Fluids in die Fluidleitung nicht zu Verwirbelungen führt, die sich in den zweiten Abschnitt des Hohlraums fortsetzen und dort das Ausleiten des Fluids aus den Brennstoffzellen (an den Auslasskanälen der Brennstoffzellen) behindern würden.
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Bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln, ohne Verteilplatte, werden aufgrund der Verwirbelungen insbesondere Brennstoffzellen am oberen oder unteren Ende des Stapels, und somit des Hohlraums, schlechter mit Reaktandfluid versorgt. Beispielsweise kann aufgrund von Verwirbelungen im Randbereich des Hohlraums das Reaktandfluid schlechter in den Einlasskanal einer Brennstoffzelle strömen. Ebenso behindern Verwirbelungen an einem Auslasskanal einer Brennstoffzelle ein gleichmäßiges Ableiten des Fluids aus der Brennstoffzelle. Durch die Verteilplatte und die Anordnung der Fluidleitung in Bezug auf einen durch die Verteilplatte geschaffenen ersten Abschnitt des Hohlraums werden diese Nachteile vermieden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann die Fluidleitung einen rohrförmigen Abschnitt und eine den rohrförmigen Abschnitt umgebende und (zumindest) den ersten Abschnitt des Hohlraums fluidisch verschließende Platte umfassen. Mit anderen Worten kann die Fluidleitung eine geometrisch sehr einfache Ausgestaltung aufweisen, die aus einem rohrförmigen Abschnitt und einer daran angeschlossenen Platte besteht. Die Platte ist dabei in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel so angeordnet, dass sie parallel zu einer durch eine einzelne Brennstoffzelle gebildeten Ebene liegt.
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Der rohrförmigen Abschnitt dient dem Anschluss einer (Reaktand-)Fluidleitung und/oder bildet einen Abschnitt der (Reaktand-)Fluidleitung.
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In einer weiteren Variante kann die Platte Teil einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels sein. Dabei weist die Endplatte eine Öffnung auf, die einerseits in den Hohlraum mündet, und andererseits mit dem rohrförmigen Abschnitt verbunden ist oder dieser an der Öffnung angebracht werden kann.
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Durch den rohrförmigen Abschnitt und die Platte bzw. Endplatte kann ein Brennstoffzellenstapel mit einer geringeren Höhe hergestellt werden. So wurde bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln eine aufwändige Geometrie zum Übergang von der rohrförmigen Leitung in den meist rechteckigen Hohlraum, beispielsweise eine konische Aufweitung des Rohrquerschnitts, eingesetzt. Diese aufwändige Geometrie bedeutet jedoch in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels einen zusätzlichen Aufbau und somit eine größere Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels oder des Brennstoffzellensystems. Durch den hier offenbarten rohrförmigen Abschnitt und die daran anschließende Platte kann auf diese aufwändige Geometrie vollständig verzichtet werden.
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In einer Variante kann die Platte eine ebene Platte sein, die im Wesentlichen in einer Ebene liegt. Alternativ kann die Platte auch eine Krümmung aufweisen, also einen Ausschnitt einer Sphäre bilden. Der Radius dieser Sphäre ist jedoch sehr groß zu wählen, um die Höhe der Fluidleitung und somit die Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels möglichst klein zu halten.
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In einer weiteren Variante kann der rohrförmige Abschnitt eine Längsachse aufweisen, die in einem Winkel von 90° (+/- 15°) zu der Ebene der Platte steht oder in einem Winkel von 90° (+/- 15°) auf der Sphäre steht.
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Eine weitere Ausgestaltungsvariante der Fluidleitbaugruppe sieht eine Verteilplatte vor, die in Richtung der Durchgangsöffnungen eine Stärke von 30 % bis 70 %, bevorzugt 40 % bis 60 %, und besonders bevorzugt 50 %, eines mittleren Querschnitts einer der Durchgangsöffnungen aufweist. Die Stärke der Verteilplatte ist die Dicke der Verteilplatte, also deren Erstreckung in Richtung senkrecht zu der durch die Verteilplatte gebildeten Ebene. Unter einem mittleren Querschnitt einer der Durchgangsöffnungen ist hier die durchschnittliche Erstreckung der Durchgangsöffnung innerhalb der durch die Verteilplatte gebildeten Ebene gemeint. Mit anderen Worten ist ein Mittelwert einer Dimension des Querschnitts der Durchgangsöffnung gemeint.
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So kann die Vielzahl von Durchgangsöffnungen einen dreieckigen, rechteckigen, quadratischen, Bienenwaben-förmigen, elliptischen oder kreisrunden Querschnitt haben. Selbstverständlich kann die Vielzahl von Durchgangsöffnungen andere polygonale Querschnitte aufweisen. Auch kann eine Verteilplatte Durchgangsöffnungen mit verschiedenen Querschnitten aufweisen. Einfacher herzustellen ist jedoch eine Verteilplatte mit Durchgangsöffnungen gleichen/gleichförmigen Querschnitts.
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Ferner kann bei einer kreisförmigen Durchgangsöffnung der mittlere Querschnitt dem Durchmesser der Durchgangsöffnung entsprechen. Bei einem rechteckigen, quadratischen, oder Bienenwaben-förmigen Querschnitt kann der mittlere Querschnitt dem Abstand zweier gegenüberliegender Seiten entsprechen. Bei einer ungeraden Anzahl von Seiten kann eine Länge einer Senkrechten von einer Ecke des Querschnitts zur gegenüberliegenden Seite den mittleren Querschnitt bilden.
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In einer Ausgestaltungsvariante können die Durchgangsöffnungen gleichmäßig auf der Verteilplatte verteilt sein. Mit anderen Worten bilden die Durchgangsöffnungen ein gleichmäßiges Raster auf/in der Verteilplatte.
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In noch einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann die Verteilplatte in Stapelrichtung mit größer werdendem Abstand von der Fluidleitung aus einen größeren Öffnungsgrad aufweisen. Mit anderen Worten weist die Verteilplatte einen Gradienten im Perforationsgrad in Stapelrichtung auf. Dabei kann die Anzahl der Durchgangsöffnungen über die Breite der Verteilplatte größer werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Vielzahl von Durchgangsöffnungen in Stapelrichtung mit größer werdendem Abstand von der Fluidleitung aus eine größere Querschnittsfläche aufweisen. Dabei kann die Größe der Durchgangsöffnungen (beispielsweise deren mittlerer Querschnitt) in Stapelrichtung ausgehend von der Fluidleitung zunehmen, sodass die durch die Durchgangsöffnungen strömenden Fluidmengen über die Höhe des Hohlraums (in Stapelrichtung betrachtet) homogenisiert wird. Mit zunehmendem Abstand von der Fluidleitung wird der Druck in dem Fluid abnehmen, was durch eine größere Anzahl von Durchgangsöffnungen und/oder größer werdende Durchgangsöffnungen ausgeglichen wird. Nur beispielhaft kann der Öffnungsgrad der Verteilplatte zwischen zwei Durchgangsöffnungen an gegenüberliegende Seiten der Verteilplatte (in Stapelrichtung gesehen) um ca. 1 % bis 20 %, bevorzugt 2 % bis 10 %, und besonders bevorzugt 3 % bis 5 %, voneinander abweichen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann die Verteilplatte zumindest teilweise aus einem Metall hergestellt sein. Beispielsweise ist die Verteilplatte aus Edelstahl, Aluminium, Titan und/oder Nickelbasislegierungen hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann die Verteilplatte aus einem Kunststoff oder einer Keramik gefertigt sein, wie zum Beispiel faserverstärkte Kunststoffe, keramikverstärkte Kunststoffe, PEEK-Modifikationen und Ähnliches. In Betracht kommen sämtliche Materialien, die auch für andere Elemente einer Brennstoffzelle verwendet werden. Das Material der Verteilplatte sollte gegenüber dem Fluid, dass durch sie strömt, eine hohe Beständigkeit und Verträglichkeit aufweisen. Ferner kann die Verteilplatte aus verschiedenen (auch der oben genannten) Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Umrandung der Verteilplatte aus einem ersten Material hergestellt sein, während ein Innenbereich, insbesondere ein die Durchgangsöffnungen umfassender Bereich, aus einem zweiten Material hergestellt ist. Die beiden Teile der Verteilplatte können auch getrennt gefertigt werden und ineinandergesteckt werden.
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In noch einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann die Verteilplatte an ihren umlaufenden Rändern elektrisch nicht-leitend ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Verteilplatte mit einem nicht-leitenden Material ummantelt sein oder beschichtet sein, insbesondere an ihren umlaufenden Rändern. So kann die Verteilplatte an ihren umlaufenden Rändern mit einem Kunststoff ummantelt sein oder ein Kunststoffrahmen ist um die Verteilplatte gelegt oder bildet die äußere Umrandung der Verteilplatte. Wird die Verteilplatte beispielsweise durch ein additives Verfahren (3D-Druck) hergestellt, kann die Verteilplatte an ihren umlaufenden Rändern auch aus einem anderen Material, insbesondere einem elektrisch nicht-leitenden Material, einfach hergestellt werden.
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Diese elektrisch nicht-leitenden Ränder der Verteilplatte dienen in erster Linie einer elektrischen Isolierung gegenüber den einzelnen Bipolarplatten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Da die Verteilplatte an ihren umliegenden Rändern mit den Brennstoffzellen in Kontakt kommt, muss die Verteilplatte hier elektrisch nicht-leitend sein, um ein Kurzschließen der einzelnen Brennstoffzellen zu vermeiden. Selbstverständlich kann auch die gesamte Verteilplatte aus einem nicht-leitenden Material hergestellt werden, wobei metallene Materialien für gewöhnlich stabiler sind, wodurch die Stege der Verteilplatte dünner ausgestaltet werden können und somit die Querschnitte der Durchgangsöffnungen vergrößert werden können.
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Alternativ oder zusätzlich können auch in der Ausnehmung der jeweiligen Brennstoffzelle elektrische Isolierungen vorgesehen sein, die die Kontaktbereiche zwischen Brennstoffzelle und Verteilplatte elektrisch nicht-leitend ausgestalten. Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann auch ein elektrisch nicht-leitender Rahmen in den durch die Ausnehmungen gebildeten Hohlraum eingesetzt werden, in den wiederum die Verteilplatte eingesetzt wird.
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In einer Ausgestaltungsvariante kann die Fluidleitbaugruppe ferner mindestens eine Endplatte umfassen, die dazu eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel in Stapelrichtung zu verschließen und die Verteilplatte in dem Hohlraum zu befestigen. Beispielsweise kann die Endplatte eine Nut aufweisen, in die die Verteilplatte hineinragt, wenn die Endplatte auf den Brennstoffzellenstapel aufgesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Endplatte auch eine Einrastverbindung aufweisen, in der die Verteilplatte aufgenommen und mittels Einrasten befestigt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann die Verteilplatte mittels Klemmwirkung zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung gehalten werden. Mit anderen Worten wird die Verteilplatte an gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums mittels Klemmwirkung gehalten. Beispielsweise weist die Verteilplatte eine Elastizität auf, die ein Einsetzen einer Verteilplatte, die etwas größer ist als die Öffnungsweite des Hohlraums (der Ausnehmungen), ermöglicht und sich dabei mittels Elastizitätskräften an den Seiten des Hohlraums (den Ausnehmungen) einspreizt. Dadurch kann die Verteilplatte auch in bestehenden Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln eingesetzt werden und die Brennstoffzellen können günstig hergestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Ausnehmung mindestens eine Nut aufweisen, in der die Verteilplatte eingesetzt ist. Die Nut aller Brennstoffzellen liegt im Brennstoffzellenstapel auch übereinander, sodass die Verteilplatte in eine (nahezu) durchgängige Nut eingeführt werden kann. Dies verbessert die Befestigung der Verteilplatte in dem Hohlraum. Die Ausnehmung kann auch zwei gegenüberliegende Nuten umfassen, sodass zwei gegenüberliegende Seiten der Verteilplatte durch die Brennstoffzellen gehalten werden. Weist auch die Endplatte eine entsprechende Nut auf, kann die Verteilplatte an noch weiteren Seiten gehalten werden. Dadurch lässt sich die Verteilplatte sicher in dem Hohlraum an der gewünschten Position anordnen und befestigen.
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In noch einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels mindestens eine weitere Ausnehmung aufweisen, wobei die weiteren Ausnehmungen aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einen zusammenhängenden weiteren Hohlraum bilden. Dieser weitere Hohlraum kann ebenfalls zum Durchleiten eines Fluids (beispielsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit) genutzt werden.
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So kann die Fluidleitbaugruppe des Weiteren eine weitere Verteilplatte umfassen, die den weiteren Hohlraum in zwei Abschnitte unterteilt und eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, wobei jede Durchgangsöffnung die beiden Abschnitte fluidisch miteinander verbindet. Ferner kann die Fluidleitbaugruppe eine weitere Fluidleitung umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein weiteres Fluid, insbesondere Reaktandfluid, für jede Brennstoffzelle in einen ersten der Abschnitte des weiteren Hohlraums einzuleiten oder aus dem ersten der Abschnitte des weiteren Hohlraums auszuleiten. Mit anderen Worten kann die Fluidleitbaugruppe einen weiteren Bereich umfassen, der eine optimale Einleitung oder Ausleitung eines weiteren (Reaktand-)Fluids ermöglicht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Brennstoffzellensystem mindestens eine Fluidleitbaugruppe gemäß dem ersten Aspekt.
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Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere durch ein verbessertes Ein-/Ausströmen des Fluides in/aus die/den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems und eine geringere Bauhöhe aus.
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Gemäß einem dritten Aspekt zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Fluidleitbaugruppe beschrieben. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte
- - Bereitstellen einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle eine Ausnehmung aufweist;
- - Zusammensetzen der Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei die Ausnehmungen aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einen zusammenhängenden Hohlraum bilden;
- - Bereitstellen einer Verteilplatte, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist;
- - Einsetzen der Verteilplatte in den Hohlraum des Brennstoffzellenstapels, wobei die Verteilplatte den Hohlraum in zwei Abschnitte unterteilt und jede Durchgangsöffnung die beiden Abschnitte fluidisch miteinander verbindet; und
- - Anbringen einer Fluidleitung, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid, insbesondere ein Reaktandfluid, für jede Brennstoffzelle in einen ersten der Abschnitte des Hohlraums einzuleiten oder aus dem ersten der Abschnitte des Hohlraums auszuleiten.
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In einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann das Bereitstellen der Verteilplatte ein Herstellen der Verteilplatte durch Stanzen oder durch ein additives Druckverfahren umfassen.
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Ferner kann das Anbringen einer Fluidleitung ein Anbringen einer Endplatte an den Brennstoffzellenstapel umfassen, wobei die Endplatte eine Fluidleitung an einer Stelle korrespondierend zu dem ersten Abschnitt des Hohlraums umfasst.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante des Verfahrens können die Schritte des Bereitstellens einer Vielzahl von Brennstoffzellen und Zusammensetzen der Vielzahl von Brennstoffzellen auch durch das Bereitstellen eines Brennstoffzellenstapels ersetzt werden. Damit kann durch das Verfahren ein bestehendes Brennstoffzellensystem gemäß den übrigen Verfahrensschritten durch eine Verteilplatte und eine Fluidleitung ergänzt und somit nachgerüstet werden.
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Die in dem Verfahren eingesetzten strukturellen Merkmale können selbstverständlich denen des ersten und zweiten Aspekts entsprechen.
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Ferner können die oben beschriebenen Aspekte, Ausgestaltungen und Varianten selbstverständlich kombiniert werden, ohne dass dies explizit beschrieben ist. Jede der beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist somit optional zu jedem der Aspekte, Ausgestaltungen und Varianten oder bereits Kombinationen davon zu sehen. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf die einzelnen Ausgestaltungen und Ausgestaltungsvarianten in der beschriebenen Reihenfolge oder einer bestimmten Kombination der Aspekte und Ausgestaltungsvarianten beschränkt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei:
- 1 schematisch eine Brennstoffzelle zeigt;
- 2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
- 3 schematisch Varianten einer Verteilplatte zeigt; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Fluideinleitbaugruppe zeigt.
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1 zeigt schematisch eine Brennstoffzelle 10 in einer Aufsicht, wobei eine Fluidkanalstruktur, zum Beispiel von einer Bipolarplatte 104, nur schematisch als einzelner Kanal dargestellt ist. Die Brennstoffzelle 10 weist mindestens eine Ausnehmung 100 auf. Diese Ausnehmung 100 bildet einen Teil eines Hohlraums, wenn mehrere Brennstoffzellen 10 zu einem Brennstoffzellenstapel 1 (2) aufeinander gesetzt sind. Die Ausnehmung 100 kann beispielsweise in die Elemente der Brennstoffzelle 10 gestanzt werden. An die Ausnehmung 100 anschließend kann ein Einlasskanal 105 vorgesehen sein. Über den Einlasskanal 105 kann ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit), welches sich in dem durch die Ausnehmung 100 gebildeten Hohlraum befindet, in die Brennstoffzelle 10, beispielsweise in die in 1 schematisch dargestellte Fluidkanalstruktur einer Bipolarplatte 104, strömen.
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Ferner kann die Brennstoffzelle 10 eine weitere Ausnehmung 200 aufweisen. Die weitere Ausnehmung 200 kann ebenso in allen Brennstoffzellen 10 eines Brennstoffzellenstapels 1 vorgesehen sein, sodass ein weiterer Hohlraum in dem Brennstoffzellenstapel 1 gebildet wird. Dieser weitere Hohlraum kann ebenfalls zum Einleiten eines Fluids in die Brennstoffzelle 10 verwendet werden. Beispielsweise lassen sich über die Hohlräume/Ausnehmungen 100, 200 Reaktandfluide (Reaktandgase oder Reaktandflüssigkeiten) zum Betrieb der Brennstoffzellen einleiten.
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1 zeigt weiterhin noch Ausnehmungen 101 und 201, die entsprechend einen jeweiligen Hohlraum in dem Brennstoffzellenstapel 1 zum Auslassen des Fluids (Gas oder Flüssigkeit) aus der Brennstoffzelle 10 bilden. So kann ein Auslasskanal oder Fluidauslass 106 am stromabwärts gelegenen Ende der Fluidkanalstruktur in die Ausnehmung 101 münden. Die in 1 dargestellten Fluidströme können beispielsweise Wasserstoff (H2) und Luft oder reiner Sauerstoff (O2) als beispielhafte Reaktandfluide bzw. auf der Auslassseite auch in der Brennstoffzelle entstehendes Wasser (siehe Ausnehmung 201) sein. Selbstverständlich können die durch die Ausnehmungen 100, 101, 202 101 gebildeten Hohlräume zum Einleiten und Ausleiten anderer Fluide (Gase und/oder Flüssigkeiten) verwendet werden.
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Ebenfalls schematisch ist eine Dichtung 150 gezeigt, die die einzelnen Bereiche der Brennstoffzelle 10 in einer Richtung parallel zur durch die Brennstoffzelle 10 gebildeten Ebene abdichtet. Beim Stapeln einzelner Brennstoffzellen 10 bilden diese Dichtungen horizontale (parallel zur durch die Brennstoffzelle 10 gebildeten Ebene) Hohlräume, beispielsweise für eine Fluidkanalstruktur. Die Dichtung 150 dient auch der entsprechenden Abdichtung gegenüber einer Endplatte (nicht dargestellt).
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts eines Brennstoffzellenstapels 1. Insbesondere zeigt 2 eine beispielhafte Fluidleitbaugruppe. In der in 2 gezeigten Darstellung wurden bestimmte Elemente eines Brennstoffzellensystems weggelassen, um das Innere des durch die Ausnehmungen 100 oder 200 gebildeten Hohlraums darzustellen. Beispielsweise fehlt eine vollständige Endplatte des Brennstoffzellenstapels 1. Insbesondere ist in 2 eine perspektivische Darstellung eines Hohlraums gezeigt, der beim Aufeinanderstapeln mehrerer Brennstoffzellen 10 durch die Ausnehmung 100 oder 200 gebildet wird.
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Der Einlasskanal 105 der obersten Brennstoffzelle 10 ist in 2 sichtbar. Dieser verbindet, wie in 1 dargestellt, den Hohlraum mit einer Fluidkanalstruktur der Brennstoffzelle (beispielsweise einer Bipolarplatte 104). Selbstverständlich haben die weiteren Brennstoffzellen 10 des dargestellten Brennstoffzellenstapels 1 einen entsprechenden Einlasskanal 105. Dieser ist in 2 durch die ebenfalls dargestellte jeweilige Membran 140 der einzelnen Brennstoffzellen 10 verdeckt.
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Im Inneren des Hohlraums ist eine Verteilplatte 120 eingesetzt, die den Hohlraum in zwei Abschnitte unterteilt. Auf dem Brennstoffzellenstapel 1 befindet sich eine Fluidleitung 130, die dazu eingerichtet ist, ein Fluid für jede Brennstoffzelle 10 in einen ersten der Abschnitte des Hohlraums einzuleiten. Die Fluidleitung (oder Fluideinlass) 130 kann einen rohrförmigen Abschnitt 131 und eine zumindest den ersten Abschnitt des Hohlraums fluidisch verschließende Platte 132 umfassen. Die Platte 132 kann auch Teil einer Endplatte sein, die sich über die gesamte Fläche der obersten (oder untersten) Brennstoffzelle 10 erstreckt und den Brennstoffzellenstapel 1 in Stapelrichtung (nach außen hin) verschließt.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung kann die (End-)Platte 132 die Verteilplatte 120 in dem Hohlraum befestigen. Beispielsweise kann, wie in 2 schematisch dargestellt, die Platte 132 einen Anschlag für die Verteilplatte 120 bilden, sodass sich die Verteilplatte 120 zumindest in Richtung der Platte 132 nicht verschieben kann. Ebenso kann die (End-)Platte 132 eine Ausnehmung oder Nut aufweisen, die die in 2 sichtbare Stirnseite der Verteilplatte 120 aufnimmt und so die Verteilplatte 120 befestigt.
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Der Einlasskanal 105 der Brennstoffzellen 10 mündet in einen zweiten der Abschnitte des Hohlraums. Durch die in der Verteilplatte 120 vorgesehene Vielzahl von Durchgangsöffnungen 125 (siehe insbesondere 3) wird nun ein über die Fluidleitung 130 einströmendes Fluid von dem ersten Abschnitt des Hohlraums in den daneben liegenden zweiten Abschnitt des Hohlraums geleitet. Dadurch wird das einströmende Fluid nicht nur umgelenkt (siehe entsprechend Strömungspfeile), sondern auch beruhigt. Insbesondere werden Verwirbelungen, die sich im ersten Abschnitt des Hohlraums bilden, unterbrochen, sodass in dem zweiten Abschnitt des Hohlraums eine gleichmäßige Strömung des Fluids vorherrscht. Dadurch kann auf eine aufwändige und komplexe Form der Fluidleitung 130 (insbesondere einen komplexen Fluideinlass) verzichtet werden und dieser kann bei geringer Bauhöhe auch sehr einfach hergestellt werden.
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Da sich die Verteilplatte 120, und insbesondere die Durchgangsöffnungen 125 in der Verteilplatte 120 über die gesamte Höhe des Brennstoffzellenstapels 1 (in Stapelrichtung gesehen) erstreckt, wird das Fluid auch über die gesamte Höhe des zweiten Abschnitts des Hohlraums gleichmäßig verteilt. Damit wird jedem Einlasskanal 105 der Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels 1 gleichmäßig Fluid zugeleitet, weshalb alle Brennstoffzellen 10 gleichmäßig versorgt werden.
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Ebenso ist es auch denkbar auf der Auslassseite (siehe Ausnehmungen 101 und 102 in 1) eine entsprechende Baugruppe, insbesondere mit Verteilplatte 120, vorzusehen. Dadurch werden Verwirbelungen zwischen den Fluidauslässen 106 der einzelnen Brennstoffzellen 10 und der zugehörigen Fluidleitung 130 (hier Fluidauslass) beruhigt oder abgebaut. Insbesondere lässt sich verhindern, dass (beispielsweise durch aktives Abführen (Absaugen) des Fluids) Fluid insbesondere aus den mittleren Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstapels 1 abgeführt wird, während Fluid von den anderen Brennstoffzellen 10 aufgrund von Verwirbelungen vor den Fluidauslässen 106 schlechter abgeführt wird.
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Die Ausnehmung 100, 200 kann eine Nut 110 aufweisen, in der die Verteilplatte 120 eingesetzt ist. Sind alle Ausnehmungen 100, 200 der Brennstoffzellen 10 mit solch einer Nut 110 versehen, wird die Verteilplatte 120 über die gesamte Höhe des Hohlraums in dem Brennstoffzellenstapel 1 gehalten. Die Ausnehmung 100, 200 (jeder Brennstoffzelle 10) kann auch zwei Nuten 110 auf gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung 100, 200 aufweisen, um die Verteilplatte 120 auf zwei Seiten zu halten. Alternativ oder zusätzlich wird die Verteilplatte 120 mittels Klemmwirkung in dem Hohlraum gehalten.
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An ihren umlaufenden Rändern kann die Verteilplatte 120 elektrisch nicht-leitend ausgestaltet sein. Insbesondere an den Kontaktstellen der Verteilplatte 120, die mit einem Element oder Abschnitt der Brennstoffzellen 10 und/oder einer (End-)Platte 132 im Kontakt stehen, sollte die Verteilplatte 120 elektrisch nicht-leitend sein. Dies verhindert ein Kurzschließen der Brennstoffzellen 10 in dem Brennstoffzellenstapel 1.
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3 zeigt schematisch Varianten einer Verteilplatte 120. Insbesondere sind in den Varianten der Verteilplatte 120 Durchgangsöffnungen 125 mit unterschiedlichen Querschnittsformen gezeigt. So kann gemäß 3(a) der Querschnitt der Durchgangsöffnungen 125 rechteckig, beispielsweise quadratisch, sein. Dies erlaubt ein einfaches Herstellungsverfahren, beispielsweise durch Stanzen oder additives Drucken. In der Variante gemäß 3(b) ist der Querschnitt der Durchgangsöffnungen 125 Bienenwaben-förmig. Dadurch lassen sich die Durchgangsöffnungen 125 mit sehr dünnen Stegen herstellen, da die Bienenwaben-förmige Struktur sehr stabil ist. Unter dünnen Stegen ist hier die geringe Dicke des Bereichs der Verteilplatte 120, wie er in der Aufsicht in 3 zu sehen ist, zu verstehen. Mit anderen Worten haben die Stege in der Zeichnungsebene der 3 zwischen zwei Durchgangsöffnungen 125 sehr geringe Ausmaße, um möglichst große Durchgangsöffnungen 125 zu bilden. In einer anderen Variante gemäß 3(c) können elliptische oder kreisrunde Querschnitte der Durchgangsöffnungen 125 verwendet werden. Die zwischen den elliptischen oder kreisrunden Querschnitten der Durchgangsöffnungen 125 liegenden Bereiche können entweder eine geschlossene Verteilplatte 120 bilden oder weitere Durchgangsöffnungen 125 bilden, wie dies in 3(c) dargestellt ist.
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3(d) zeigt ferner beispielhaft zwei verschiedene Varianten von Durchgangsöffnungen 125 mit einem (gemäß gezeichnetem Pfeil von oben nach unten) zunehmenden Perforationsgrad der Verteilplatte 120. In der links in 3(d) dargestellten Variante sind beispielhaft Durchgangsöffnungen 125 mit einem jeweils dreieckigen Querschnitt dargestellt, wobei mit größer werdendem Abstand von der Fluidleitung 130 (in 3(d) wäre die Fluidleitung 130 oben) die Verteilplatte 120 einen größeren Öffnungsgrad aufweist. Die Durchgangsöffnungen 125 werden nach unten hin durch größere Dreiecke umgesetzt. In der rechts in 3(d) dargestellten Variante sind nur vereinzelt Durchgangsöffnungen 125 vorgesehen (hier sind die stegbreiten somit deutlich dicker als in der links dargestellten Variante). Mit zunehmendem Abstand von der Fluidleitung 130 wird der Öffnungsgrad der Verteilplatte 120 vergrößert, in dem die Anzahl der Durchgangsöffnungen 125 zunimmt, wie dies in den ersten beiden „Zeilen“ mit Durchgangsöffnungen 125 dargestellt ist. Ferner kann mit zunehmendem Abstand von der Fluidleitung 130 auch die Querschnittsfläche einer Durchgangsöffnung 125 zunehmen. Aus Gründen der besseren Darstellung ist in 3(d) nur noch eine Durchgangsöffnung pro „Zeile“ gezeigt.
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Die in 3 gezeichneten Stegbreiten sind lediglich beispielhaft und nicht maßstäblich. Ebenso sind die Dimensionen der Durchgangsöffnungen 125 lediglich beispielhaft und nicht maßstäblich. Auch sind die in 3 dargestellten Varianten nicht abschließend, sondern es können auch Verteilplatten 120 mit anders geformten Durchgangsöffnungen 125 und/oder mit einer unterschiedlichen Anzahl von Durchgangsöffnungen 125 eingesetzt werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Fluidleitbaugruppe. Hierin wird zunächst in einem Schritt S1 eine Vielzahl von Brennstoffzellen 10 bereitgestellt, die in einem weiteren Schritt S2 zu einem Brennstoffzellenstapel 1 zusammengesetzt werden. Die Brennstoffzellen 10 haben jeweils mindestens eine Ausnehmung 100, 200, 101, 201, die nach dem Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels 1 einen zusammenhängenden Hohlraum bilden.
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In einem weiteren Schritt S3 kann eine Verteilplatte 120 mit Durchgangsöffnungen 125 bereitgestellt oder hergestellt werden, die in einem Schritt S4 in den durch die Ausnehmungen 100, 200, 101, 201 aller gestapelten Brennstoffzellen 10 gebildeten Hohlraum des Brennstoffzellenstapels 1 eingesetzt wird. Dabei unterteilt die Verteilplatte 120 den Hohlraum in zwei Abschnitte, die durch die Durchgangsöffnungen 125 der Verteilplatte 120 fluidisch miteinander verbunden sind. Die Herstellung der Verteilplatte 120 kann durch Stanzen oder durch ein additives Druckverfahren erfolgen.
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Schließlich wird in einem Schritt S5 eine Fluidleitung 130 an dem Brennstoffzellenstapel 1 angebracht, wobei die Fluidleitung130 dazu eingerichtet ist, ein Fluid für jede Brennstoffzelle 10 in einen ersten der Abschnitte des Hohlraums einzuleiten oder aus dem ersten der Abschnitte des Hohlraums auszuleiten. Beispielsweise kann ein Reaktandfluid in den ersten der Abschnitte des Hohlraums über die Fluidleitung 130 eingeleitet werden, welches durch die Durchgangsöffnungen 125 der Verteilplatte 120 in den zweiten der Abschnitte des Hohlraums verteilt wird. Dort kann das Fluid beispielsweise in einen Einlasskanal 105 jeder Brennstoffzelle 10 strömen. Ebenso kann ein Reaktandfluid aus den Auslasskanälen 106 jeder Brennstoffzelle in den zweiten Abschnitt des Hohlraums strömen und von dort über die Durchgangsöffnungen 125 der Verteilplatte 120 in den ersten Abschnitt des Hohlraums strömen. Von dort kann das Fluid über die Fluidleitung 130 abgeführt werden.
