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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen führen einen elektrochemischen Prozess aus, bei dem aus einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Elektrizität in Form einer Gleichspannung gewonnen werden kann. Je nach verwendeten Edukten kann neben Wasserdampf und Wärme als Nebenprodukt auch ein Inertgas anfallen. Zur Erzeugung einer signifikanten elektrischen Leistung ist bekannt, Brennstoffzellenstapel mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen auszustatten, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) weist üblicherweise eine Membran auf, die beidseitig von Bipolarplatten umschlossen ist. Letztere sind leitfähig und weisen auf ihren Oberflächen Strömungskanäle auf, mit denen der jeweiligen Brennstoffzelle Edukte zugeführt bzw. Reaktanden abgeführt werden können. Diese Strömungskanäle werden üblicherweise als Strömungsfeld („Flow field“) bezeichnet. Ein Brennstoffzellenstapel weist demgemäß eine Anordnung einer Vielzahl von Bipolarplatten auf, zwischen denen jeweils eine Membran liegt. Die Bipolarplatten fungieren als Anoden bzw. Kathoden und können in gestapelter Anordnung eine Reihenschaltung aufeinander folgender Brennstoffzellen durchführen.
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Die Zufuhr von Edukten erfolgt üblicherweise durch Medienkanäle, die mit den Strömungskanälen der Bipolarplatten verbunden sind. Zur Abfuhr der entstehenden Wärme wird oftmals ein durch den Brennstoffzellenstapel fließendes Kühlmittel eingesetzt, das thermisch mit den Bipolarplatten gekoppelt ist.
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Bei der chemischen Reaktion kann an der Kathode entstehendes Wasser durch Diffusion auch auf die Wasserstoff führende Seite in Form der Anode gelangen. Je nach Wassergehalt der Gase und der Temperatur können an verschiedenen Stellen der einzelnen Brennstoffzellen sowohl Zonen mit zu geringer Feuchtigkeit entstehen, in denen die Membran wegen Austrocknung nicht mehr die volle Leistung erbringen kann, als auch zu feuchte Zonen, in denen flüssiges Wasser Teile der Membran abdeckt oder Teile der Strömungskanäle der Bipolarplatten verstopft und dadurch insgesamt die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels reduziert. Je nach Betriebsbedingung können das Austrocknen und die übermäßige Befeuchtung auch gleichzeitig an verschiedenen Stellen auftreten. Da eine Feuchtigkeitsaufnahme von Gasen stark von ihrer Temperatur abhängt und die Temperatur der Gase stark von einer Temperatur des Kühlmittels der Umgebung abhängt, kann es aufgrund der gewählten Staffelung der Brennstoffzellen und der Strömungsrichtung aller Medien notwendig sein, einen Kompromiss zwischen den Anforderungen von Anode und Kathode und der Kühlung insgesamt eingegangen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel vorzuschlagen, bei dem verbesserte Betriebsbedingungen einstellbar sind und insbesondere eine übermäßige Austrocknung bzw. Befeuchtung von Zonen der Brennstoffzelle vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung offenbart.
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Es wird ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen vorgeschlagen, die jeweils zwei Bipolarplatten mit Strömungsfeldern und eine dazwischen liegende Membran aufweisen und mit mehreren Medienkanälen zum Zuführen von Edukten und zum Abführen von Reaktanden gekoppelt sind, wobei jeweils mindestens ein Kühlkanal zwischen benachbarten Brennstoffzellen angeordnet ist und mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass gekoppelt ist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellen einen ersten Brennstoffzellentyp und einen zweiten Brennstoffzellentyp aufweisen, die sich dadurch voneinander unterscheiden, dass sich Strömungsrichtungen mindestens eines Edukts voneinander unterscheiden, wobei sich in dem Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise Brennstoffzellen des ersten Brennstoffzellentyps und Brennstoffzellen des zweiten Brennstoffzellentyps einander abwechseln.
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Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel weist folglich mehrere Brennstoffzellen auf, die durch einen Stapel von Bipolarplatten mit dazwischenliegenden Membranen gebildet werden. Die Membran kann beidseitig katalytisch aktiv beschichtet sein und hierdurch eine Anode und eine Kathode ausbilden. Diese sind bevorzugt porös oder auf andere Weise gasdurchlässig und grenzen bevorzugt jeweils direkt an ein Strömungsfeld einer benachbarten Bipolarplatte an.
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Die Medienkanäle können randseitig der Bipolarplatten positioniert und mit den betreffenden Strömungsfeldern der Bipolarplatten gekoppelt sein. Die Strömungsfelder können insbesondere mäanderförmig an zu den Membranen weisenden Oberflächen gebildet sein. Edukte, d.h. ein Wasserstoff aufweisendes Gas und ein Sauerstoff aufweisendes Gas, werden von den Medienkanälen in die vorgesehenen Strömungsfelder der Bipolarplatten geleitet. Das Sauerstoff aufweisende Gas kann für stationäre oder mobile Anwendungen Luft sein. Folglich können Medienkanäle, die dem Sauerstoff aufweisenden Gas zugeordnet sind, mit einem Lufteinlass gekoppelt sein.
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Kühlmittel zum Abführen von Wärme könnte durch separate Kühlkanäle innerhalb der Bipolarplatten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Brennstoffzellen geleitet werden. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlkanäle nicht in Fluidverbindung mit den Strömungskanälen für die Edukte stehen und eine ausreichende Segregation aufweisen. Die Bipolarplatten können elektrisch auf eine gewünschte Weise miteinander verbunden sein. Insbesondere durch Verbindung von aufeinanderfolgender Anode und Kathode benachbarter Brennstoffzellen kann eine Reihenschaltung erreicht werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die einzelnen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel durch zwei verschiedene Typen von Brennstoffzellen realisiert sind. Die unterscheiden sich dahingehend voneinander, dass sich zumindest eine vorgesehene Strömungsrichtung eines Edukts einer Brennstoffzelle des ersten Typs von einer entsprechenden Strömungsrichtung in einer Brennstoffzelle des zweiten Typs unterscheidet. Durch die zumindest teilweise unterschiedlichen Stoffströme kann die Diffusion von Wasserdampf und/oder die Wärmeverteilung an den Bipolarplatten so beeinflusst werden, dass die Betriebsbedingungen verbessert und die vorangehend geschilderten Nachteile deutlich reduziert werden. Hierbei ist anzumerken, dass es unterschiedliche Konfigurationen mit mehreren Varianten unterschiedlicher Strömungsrichtungen gibt, welche zu unterschiedlichen Ausprägungen dieses Effekts führen können. Zur Erreichung des Effekts kann es notwendig sein, die Medienkanäle und/oder einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmittel auf zwei entgegengesetzten Seiten des Brennstoffzellenstapels vorzusehen.
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Demgemäß ist es vorteilhaft, wenn an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels Medienkanäle zum Zuführen aller Edukte und des Kühlmittels und zum Abführen von Reaktanden und des Kühlmittels angeordnet sind. Die Medienkanäle können beispielsweise durch Öffnungen, Bohrungen, Ausnehmungen und dergleichen in den Bipolarplatten ausgeführt sein, die in der gestapelten Anordnung zusammen jeweils einen Medienkanal ausbilden. Durch die Anordnung der Medienkanäle auf einander gegenüberliegenden Seiten können Medien, beispielsweise die Edukte, bedarfsweise von der einen Seite oder von der anderen Seite in jedes Strömungsfeld der Bipolarplatten eingeleitet werden. Die Medienkanäle auf den gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels werden mit entsprechenden Zufuhr- und Abfuhrleitungen für die Edukte bzw. die Reaktanden verbunden. Es ist vorstellbar, dass einzelne Kühlmittelauslässe mit angrenzenden Kühlmitteleinlässen derselben Seite des Brennstoffzellenstapels verbunden werden, falls ein Richtungswechsel der Strömung des Kühlmittels gewünscht ist. Wird der Platz an den Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels zu eng, so können Medienkanäle - beispielsweise für Kühlmittel - auch im Bereich der seitlichen Zellenrändern angeordnet werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Brennstoffzellen dazu ausgebildet sind, dass in jeder Brennstoffzelle die Edukte im Gegenstrom geleitet werden und sich die Strömungsrichtungen in benachbarten Brennstoffzellen umkehren. Das Führen der Edukte im Gegenstrom in jeder Brennstoffzelle kann eine interne Wasserzirkulation im Innern der Brennstoffzelle entstehen lassen. Die örtliche Feuchtigkeitskonzentration ist dadurch insgesamt homogener, sodass sich dadurch entstehende Einschränkungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels deutlich verringern lassen. Durch die umgekehrten Strömungsrichtungen in benachbarten Brennstoffzellen kann die Wärmelast zudem homogener verteilt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Brennstoffzellen dazu ausgebildet, dass das Kühlmittel und Sauerstoff aufweisendes Gas in einem in Stapelrichtung direkt zu dem Kühlkanal benachbarten Strömungsfeld im Gleichstrom geleitet werden. Die Strömungsrichtungen des Sauerstoff aufweisenden Gases an der Kathode und des direkt angrenzenden Kühlmittelstroms sind daher identisch. Sie können sich jedoch von den entsprechenden Strömungsrichtungen der jeweils direkt benachbarten Brennstoffzellen unterscheiden. Durch die Gleichströmung steigt die Temperatur auf der Kathodenseite, auf der während des elektrochemischen Prozesses Wasser entsteht, entlang der Strömungsrichtung an. Der Sättigungsdampfdruck hängt von der Temperatur ab, sodass die Gleichströmung zu einer besseren Feuchteverteilung führt, die für den Betrieb vorteilhaft ist. Eine homogene Feuchteverteilung reduziert das Risiko trockener Membranbereichen und kondensierendem Wasser, das die Versorgung mit Reaktanden blockieren kann
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Bei dieser Ausführungsform ist es ferner sinnvoll, dass die Brennstoffzellen dazu ausgebildet sind, dass das Kühlmittel und Wasserstoff aufweisendes Gas in einem in Stapelrichtung direkt zu dem Kühlkanal benachbarten Strömungsfeld ebenfalls im Gleichstrom geleitet werden. Das Strömungsfeld an der Anode, durch das das Wasserstoff aufweisende Gas strömt, grenzt an einen anderen Kühlkanal an als das Strömungsfeld an der Kathode. Analog zu der vorangehend erläuterten verbesserten Feuchteverteilung kann die Temperatur an der Anodenseite ebenfalls entlang der Strömungsrichtung ansteigen und zu einer homogeneren Feuchteverteilung auf der Anodenseite führen.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Brennstoffzellen dazu ausgebildet, dass das Kühlmittel und Sauerstoff aufweisendes Gas in einem in Stapelrichtung direkt zu dem Kühlkanal benachbarten Strömungsfeld im Gegenstrom geleitet werden. Damit wird ermöglicht, alle paarweise aufeinander folgenden Fluidströme im Gegenstrom zu führen. Das Wasserstoff aufweisende Gas läuft im Gegenstrom mit dem Sauerstoff aufweisenden Gas, beide Edukte laufen im Gegenstrom mit dem jeweils durch einen benachbarten Kühlkanal fließenden Kühlmittel und das Kühlmittel kann in aufeinanderfolgenden Kühlkanälen ebenso im Gegenstrom fließen. Sauerstoff aufweisendes Gas strömt in aufeinanderfolgende Strömungsfeldern im Gegenstrom. Analog gilt dies auch für Wasserstoff aufweisendes Gas. Damit wird insgesamt die Wärmelast sehr homogen auf den gesamten Brennstoffzellenstapel aufgeteilt und kann zu einer höheren Leistungsdichte und ein Minimum an mechanischen Verspannungen im Aufbau des Stapels führen.
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Wie bereits impliziert ist es bei dieser Ausführungsform besonders sinnvoll, dass das Kühlmittel und Wasserstoff aufweisendes Gas in einem in Stapelrichtung direkt zu dem Kühlkanal benachbarten Strömungsfeld im Gegenstrom geleitet werden.
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Bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel dazu ausgebildet, dass das Kühlmittel in in Stapelrichtung benachbarten Kühlkanälen im Gegenstrom geleitet wird. Da der Kühlmittelstrom für die einzelnen Brennstoffzellen abwechselnd von der einen und von der gegenüberliegenden Seite erfolgt, wird eine gleichförmigere Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel erreicht. Diese ermöglicht es, größere Temperaturdifferenzen zwischen dem Kühlmitteleingang und dem Kühlmittelausgang zu realisieren, ohne mechanische Verspannungen und hieraus resultierende Schwierigkeiten mit der Abdichtung zwischen einzelnen Bipolarplatten und an den Medienkanälen zu haben. Dadurch kann in einem Teil des Betriebsbereichs, insbesondere in der Teillast, der Brennstoffzellenstapel mit geringeren Kühlmittelmassenströmen betrieben werden. Dies kann den Energieaufwand für die Kühlung des Brennstoffzellenstapels verringern und folglich die Effizienz erhöhen. Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels kann dadurch mitunter vereinfacht werden, da die Betriebsbedingungen weniger eingeschränkt werden.
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Besonders bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel dazu ausgebildet, dass sich in Stapelrichtung die Strömungsrichtungen aller fluidführenden Kanäle umkehren. Dies bedeutet, dass alle fluidführenden und direkt aufeinanderfolgenden Kanäle, d.h. Strömungsfelder und Kühlkanäle, entgegengesetzte Strömungsrichtungen aufweisen und folglich ein verbessertes Wärmemanagement erlauben.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels
- 2 ein schematischer Feuchteverlauf in Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels aus 1
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels
- 4 eine Bipolarplatte in einer Draufsicht
- 5 und 6 die Bipolarplatte aus 4 mit jeweils anderer Durchströmung
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1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren Brennstoffzellen 4 und 6, die jeweils zwei Bipolarplatten 8 und eine dazwischen liegende Membran 10 aufweisen. Die Membran 10 kann eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen und mit den angrenzenden Bipolarplatten 8 in einem Flächenkontakt stehen. Die Brennstoffzellen 4 und 6 sind mit mehreren Medienkanälen 12 und 14 zum Zuführen von Edukten, d.h. Sauerstoff aufweisendem Gas und Wasserstoff aufweisendem Gas verbunden. Weitere Medienkanäle 16 und 18 dienen der Abfuhr von Reaktanden.
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Es sind Kühlkanäle 20 vorgesehen, die jeweils mit einem Kühlmitteleingang 22 und einem Kühlmittelausgang 24 verbunden sind. Die Kühlkanäle 20 stehen in einem thermischen Kontakt mit den Bipolarplatten 8 und sind dazu vorgesehen, den Brennstoffzellenstapel 2 zu kühlen. Die Kühlkanäle 20 können auch in die Bipolarplatten integriert sein. Die Bipolarplatten 8 weisen auf zwei einander gegenüberliegenden Fläche jeweils ein Strömungsfeld 26 in Form eines bevorzugt mäandrierenden und zur Membran 10 offenen Kanals auf, der zum flächigen Verteilen von Edukten über den Membranen 10 dient.
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Die Brennstoffzellen 4 und 6 entsprechen einem ersten Brennstoffzellentyp (hier mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet) und einem zweiten Brennstoffzellentyp (hier mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet). Diese unterscheiden sich dadurch voneinander, dass sich Strömungsrichtungen mindestens eines Edukts voneinander unterscheiden. Hier sind die Strömungsfelder 26 derart mit den Medienkanälen 12-18 und die angrenzenden Kühlkanäle 20 mit dem Kühlmitteleingang 22 und dem Kühlmittelausgang 24 verbunden, dass in den Brennstoffzellen 4 und 6 Wasserstoff aufweisendes Gas und Sauerstoff aufweisendes Gas im Gegenstrom laufen, d.h. mit gegensätzlichen Strömungsrichtungen. Im Kühlkanal 20, der direkt an eine Kathodenseite mit Sauerstoff aufweisendem Gas anschließt, strömen das Kühlmittel und das Sauerstoff aufweisende Gas im Gleichstrom, d.h. mit identischen Strömungsrichtungen. Anodenseitig strömen das Wasserstoff aufweisende Gas und das Kühlmittel im direkt angrenzenden Kühlkanal 20 ebenso im Gleichstrom. Aufeinanderfolgende Kühlkanäle 20 fördern das Kühlmittel indes im Gegenstrom.
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Durch den Gleichstrom zwischen dem Kühlmittel und dem Wasserstoff aufweisenden Gas sowie zwischen dem Kühlmittel und dem Sauerstoff aufweisenden Gas kann eine bessere Feuchteverteilung in dem Brennstoffzellenstapel 2 erreicht werden. Da entlang der Strömungsrichtung die Temperatur und der Sättigungsdampfdruck ansteigen, kann eine zu hohe relative Feuchtigkeit vermieden werden.
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Hieraus ergibt sich eine schematisch gezeigter Verlauf der anodenseitigen Feuchtigkeit, die hier mit einer durchgezogenen Linie 28 gekennzeichnet ist. Bei einer herkömmlichen Brennstoffzelle würde eine deutlich inhomogenere Feuchteverteilung 30 resultieren, die gestrichelt dargestellt ist.
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In 3 wird eine abweichende Variante in Form eines Brennstoffzellenstapels 32 gezeigt, in dem sich Brennstoffzellen 34 und 36 zumindest bereichsweise abwechseln. Der Aufbau ist analog zu 1, wobei hier jedoch der Unterschied darin liegt, dass zwischen dem Sauerstoff aufweisenden Gas und dem direkt angrenzenden Kühlkanal 20 ein Gegenstrom vorliegt, ebenso wie zwischen den Wasserstoff aufweisenden Gas und dem direkt angrenzenden Kühlkanal 20.
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Zur Realisierung dieses Aufbaus weisen die Bipolarplatten 8 die doppelte Anzahl von Anschlüssen zur Ausbildung von Medienkanälen auf, wie in 4 dargestellt. Dies äußert sich in der Anordnung von jeweils zwei Ausschnitten 38, 40 und 42, auf jeweils zwei einander gegenüberliegenden Seiten 44 und 46 jeder Bipolarplatte 8. Wie in 5 und 6 schematisch gezeigt, können die Ausschnitte 38-42 in aufeinanderfolgenden Bipolarplatten 8 unterschiedlich mit externen Medienleitungen verknüpft werden. In 5 strömt etwa Wasserstoff aufweisendes Gas in der Zeichnungsebene diagonal von einem oben links angeordneten Ausschnitt 38 zu einem unten rechts angeordneten korrespondierenden Ausschnitt 38 und durchströmt dabei das Strömungsfeld 26. Das Kühlmittel kann sich im Gleichstrom von dem Ausschnitt 40 oben links bis zu dem korrespondierenden Ausschnitt 40 unten rechts bewegen. Das Sauerstoff aufweisende Gas strömt indes von dem Ausschnitt 42 unten rechts bis zu dem korrespondierenden Ausschnitt 42 oben links. In 6 ist dies spiegelverkehrt gezeigt und entspricht folglich einem anderen Brennstoffzellentyp, der an den in 5 dargestellten angrenzen kann.
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Durch die Anordnung mehrerer Bipolarplatten 8 mit unterschiedlicher Verknüpfung der Ausschnitte 38-42 können folglich die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen zum Ausbilden der Brennstoffzellen 4, 6, 34 und 36 genutzt werden. Zwischen den Bipolarplatten 8 sind entsprechende Abdichtungen anzuordnen, sodass die Ausschnitte 38-42 in einer gestapelten Anordnung durchgehende, nach außen hin fluiddichte Kanäle ausbilden.
