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Stand der Technik
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Bipolarplatten für Brennstoffzellenanwendungen transportieren Betriebsmedien zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wie bspw. Wasserstoff, Luft und Kühlmittel und müssen von dem Brennstoffzellensystem erzeugten elektrischen Strom leiten.
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Bipolarplatten bestehen i. d. R. aus einem Metall und werden in einem Prägeverfahren hergestellt, sodass eine auf einer Vorderseite eingeprägte Struktur zwingend eine Struktur der Rückseite vorgibt. Entsprechend ist eine Medienversorgung von bspw. einer Luftführung auf einer Oberseite und einer Kühlmittelführung auf einer Unterseite voneinander abhängig, sodass die Luftführung nicht unabhängig von der Kühlmittelführung optimiert werden kann und stets ein Kompromiss zwischen einer Leistung der Luftführung und einer Leistung der Kühlmittelführung gefunden werden muss.
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Dieser Kompromiss hat erheblichen Einfluss auf eine Temperaturverteilung und eine Dampfsättigung im Brennstoffzellensystem und, dadurch bedingt, auch auf eine Alterung von Brennstoffzellen, sowie auf ein Kaltstartverhalten und spezifische Abschaltstrategien des Brennstoffzellensystems.
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Im Allgemeinen wird zwischen zwei grundlegenden Aufbauten von Bipolarplatten unterschieden. Zum einen gibt es das sog. „Crossflowdesign“, bei dem eine geradlinige Verbindungslinie zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen für ein jeweiliges Betriebsmedium sich mit einer geradlinigen Verbindungslinie zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen für ein anderes Betriebsmedium kreuzt. Zum anderen gibt es das sog. „Counterflowdesign“, bei dem eine Verbindungslinie zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen geradlinig bzw. auf kürzestem Weg, direkt verläuft.
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Das Crossflowdesign bedingt eine gute Ausnutzung einer aktiven Fläche der Bipolarplatte und wenig Verschnitt beim Herstellen einer entsprechenden Membraneinheit, jedoch eine suboptimale Kühlungsleistung aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung, was zu einer verfrühten Alterung einer entsprechenden Zelle führen kann.
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Das Counterflowdesign bedingt eine gute Kühlung durch eine homogene Temperaturverteilung, hat jedoch eine sehr komplexe Verteilungsstruktur und einen dadurch bedingt hohen Verschnitt beim Herstellen einer entsprechenden Membraneinheit sowie eine suboptimale Flächenausnutzung für die aktive Fläche.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden eine Bipolarplatte, ein Herstellungsverfahren für eine Bipolarplatte und ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen effizienten Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit hoher Standzeit zu ermöglichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung wird somit eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Die Bipolarplatte besteht aus einem Material, das Kunststoff umfasst. Die Bipolarplatte umfasst eine Oberschale und eine Unterschale mit jeweils einer Oberseite und einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite, wobei auf der Oberseite der Oberschale erste Strömungskanäle zum Leiten eines ersten Betriebsmediums durch die Bipolarplatte ausgebildet sind, wobei zwischen der Unterseite der Oberschale und der Oberseite der Unterschale zweite Strömungskanäle zum Leiten eines zweiten Betriebsmediums durch die Bipolarplatte ausgebildet sind, wobei auf der Unterseite der Unterschale dritte Strömungskanäle zum Leiten eines dritten Betriebsmediums durch die Bipolarplatte ausgebildet sind, wobei die ersten Strömungskanäle Einlasskanäle und Auslasskanäle für das erste Betriebsmedium geradlinig verbinden, wobei die zweiten Strömungskanäle geradlinig zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen für das zweite Betriebsmedium verlaufen, wobei die Einlasskanäle und Auslasskanäle für das zweite Betriebsmedium orthogonal zu den zweiten Strömungskanälen verlaufen, wobei die dritten Strömungskanäle geradlinig zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen für das dritte Betriebsmedium verlaufen, und wobei die Einlasskanäle und Auslasskanäle für das dritte Betriebsmedium orthogonal zu den dritten Strömungskanälen verlaufen.
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Unter einem Betriebsmedium ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein einem Brennstoffzellensystem zugeführter oder in dem Brennstoffzellensystem zirkulierender Stoff, wie bspw. Brennstoff, Luft oder Kühlmittel, zu verstehen.
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Unter einem Kunststoff ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein synthetisch hergestelltes Material, insbesondere Polypropylen oder Polyethylensulfid zu verstehen.
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Die vorgestellte Bipolarplatte basiert auf dem Prinzip, dass diese aus zwei Halbschalen, einer Oberschale und einer Unterschale gebildet wird, die aus einem Material bestehen, das Kunststoff umfasst. Insbesondere bestehen die Oberschale und die Unterschale komplett aus Kunststoff.
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Sowohl die Oberschale als auch die Unterschale weisen jeweils auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite Strömungskanäle auf, die sich voneinander unterscheiden bzw. unabhängig voneinander ausgestaltet sind. Dies bedeutet, dass ein Herstellungsprozess von Strömungskanälen auf einer jeweiligen Oberseite keinen Einfluss auf eine Form von Strömungskanälen auf einer entsprechenden Unterseite hat.
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Die unabhängige Ausgestaltung von Strömungskanälen auf der Oberseite und der Unterseite jeweiliger Halbschalen wird durch das erfindungsgemäß vorgesehene Material, das Kunststoff umfasst, ermöglicht. Das Kunststoff umfassende Material kann derart bearbeitet, bspw. geprägt, gefräst, verformt oder gelasert werden, dass lediglich auf der bearbeiteten Oberfläche eine entsprechende Struktur entsteht und nicht, wie bei dünnen Metallen aufgrund von Spannungen im Metall unvermeidbar, eine Prägung einer Oberseite zu einer Verformung der Unterseite führt.
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Aufgrund der Eigenschaften des erfindungsgemäß vorgesehenen Kunststoff umfassenden Materials stellt die vorgestellte Bipolarplatte einen Hybrid aus Counterflow und Crossflow dar, indem auf einer Oberseite bzw. einer Luftseite, der Oberschale erste Strömungskanäle vorgesehen sind, die Einlasskanäle und Auslasskanäle für ein erstes Betriebsmedium, insbesondere Luft, geradlinig verbinden und entsprechend eine Counterflowcharakteristik haben.
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Zwischen der Oberschale und der Unterschale der vorgestellten Bipolarplatte werden durch die Unterseite der Oberschale und die Oberseite der Unterschale zweite Strömungskanäle ausgebildet. Dabei unterscheiden sich die Strukturen auf der Unterseite der Oberschale von den ersten Strömungskanälen auf der Oberseite der Oberschale derart, dass diese bereichsweise orthogonal zu den ersten Strömungskanälen verlaufen.
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Die zweiten Strömungskanäle sind Kühlmitteldicht, sodass ein Kühlmittel durch die zweiten Strömungskanäle geleitet werden kann. Dazu wird die Oberschale mit der Unterschale kühlmitteldicht verbunden, indem bspw. ein Klebstoff oder ein Schweißverfahren zum Verbinden eingesetzt wird.
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Durch die orthogonal zu den ersten Strömungskanälen verlaufenden Strukturen und geradlinig zwischen den Strukturen verlaufende Strukturen auf der Unterseite der Oberschale werden in Kombination mit entsprechenden Strukturen auf der Oberseite der Unterschale Einlasskanäle und Auslasskanäle sowie zweite Strömungskanäle für ein zweites Betriebsmedium, insbesondere Kühlmittel, bereitgestellt. Dies bedeutet, dass das zweite Betriebsmedium in einer ersten Richtung in die Einlasskanäle bzw. den Einlasskanal geleitet wird und dann durch orthogonal zu den Einlasskanälen angeordnete zweite Strömungskanäle zu dem Auslasskanal bzw. den Auslasskanälen geleitet wird, die wiederum orthogonal zu den zweiten Strömungskanälen, also parallel zu den Einlasskanälen, verlaufen. Entsprechend zeigen die für das zweite Betriebsmedium durch die Oberschale und die Unterschale bereitgestellten Strukturen sowohl eine Crossflowcharakteristik als auch eine Counterflowcharakteristik.
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Auf der Unterseite der Unterschale sind dritte Strömungskanäle geradlinig zwischen Einlasskanälen und Auslasskanälen für das dritte Betriebsmedium ausgebildet. Dabei verlaufen die Einlasskanäle und Auslasskanäle für das dritte Betriebsmedium orthogonal zu den dritten Strömungskanälen. Weiterhin sind die Einlasskanäle und Auslasskanäle für das zweite Betriebsmedium mit den Einlasskanälen und Auslasskanälen für das dritte Betriebsmedium in ihren Positionen getauscht, sodass eine geradlinige Verbindungslinie zwischen den Einlasskanälen für das zweite Betriebsmedium und den Auslasskanälen für das zweite Betriebsmedium sich mit einer geradlinigen Verbindungslinie zwischen den Einlasskanälen für das dritte Betriebsmedium und den Auslasskanälen für das dritte Betriebsmedium kreuzt. Entsprechend hat die Bipolarplatte für das zweite und dritte Betriebsmedium eine Crossflowcharakteristik, wobei die zweiten und dritten Strömungskanäle geradlinig verlaufen und entsprechend auch eine Counterflowcharakteristik zeigen. Entsprechend bildet die vorgestellte Bipolarplatte einen Hybrid aus Cross- und Counterflowcharakteristik.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Kunststoff ein elektrisch und thermisch leitfähiges Thermoplast ist.
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Thermoplaste eignen sich besonders Vorteilhaft zur Herstellung von Halbschalen, die auf ihrer Oberseite und ihrer Unterseite voneinander unabhängige Strukturen aufweisen. Bspw. kann ein Thermoplast mittels eines Prägewerkzeugs auf dessen Oberseite mit einem ersten Muster und zeitgleich oder zu einem anderen Zeitpunkt mit einem zweiten Muster gestaltet werden.
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Dabei führt eine Bearbeitung der Oberseite zu keinen Veränderungen auf der Unterseite und umgekehrt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Strömungskanäle der Oberschale und der Unterschale, die auf der jeweiligen Oberseite ausgebildet sind, sich zumindest bereichsweise in ihrem Querschnitt und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Anzahl von Strömungskanälen die auf der entsprechenden Unterseite ausgebildet sind, unterscheiden.
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Durch unterschiedliche Geometrien, also unterschiedliche Querschnitte, Ausrichtungen und/oder Anzahl jeweiliger Strömungskanäle, die auf einer Oberseite und einer Unterseite einer jeweiligen Halbschale ausgebildet sind, können unterschiedliche Strömungscharakteristika auf der Oberseite und der Unterseite realisiert werden. Insbesondere kann auf einer Oberseite eine Counterflowcharakteristik und auf einer Unterseite eine Crossflowcharakteristik realisiert werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass Strömungskanäle der Oberschale und der Unterschale, die auf der Oberseite ausgebildet sind, zumindest bereichsweise spiegelsymmetrisch zu einer zwischen der Oberschale und der Unterschale verlaufenden Spiegelachse ausgebildet sind.
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Durch zumindest bereichsweise spiegelsymmetrisch verlaufende Strömungskanäle auf der Oberseite und der Unterseite einer Halbschale der vorgestellten Bipolarplatte kann ein besonders effektiver thermischer Austausch zwischen auf der Oberseite und der Unterseite strömenden Fluiden erreicht werden. Insbesondere wird durch spiegelsymmetrische verlaufende Strömungskanäle ein Überlagerungsbereich geschaffen, der von einer Seite mit einem ersten Fluid und von einer zweiten Seite mit einem zweiten Fluid beströmt wird, sodass ein direkter Wärmetransfer von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid erfolgen kann. Eine derartige Symmetrie ist durch einen Prägeprozess eines Metallblechs, bei dem Strömungskanäle auf einer Oberseite als Positivform und Strömungskanäle auf einer Unterseite als Negativform vorliegen, ausgeschlossen.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine mögliche Ausgestaltung der vorgestellten Bipolarplatte. Das Herstellungsverfahren umfasst jeweils für eine Oberschale und eine Unterschale, einen Extrudierungsschritt zum
Extrudieren eines Kunststoff umfassenden Materials, einen ersten Erzeugungsschritt zum Erzeugen eines ersten Musters an Strömungskanälen auf einer ersten Seite des Materials, einen zweiten Erzeugungsschritt zum Erzeugen eins zweiten Musters an Strömungskanälen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Materials, wobei
das erste Muster und das zweite Muster unabhängig voneinander erzeugt werden. Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Oberschale mit der Unterschale zur Herstellung der Bipolarplatte.
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Unter einem unabhängigen Erzeugen zweier Muster ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem das Erzeugen eines ersten Musters keinen Einfluss auf das Erzeugen des zweiten Musters hat, sodass Geometrien des ersten Musters und des zweiten Musters unabhängig voneinander wählbar sind. Insbesondere kann ein unabhängiges Erzeugen zweiter Muster einen ersten Arbeitsschritt zum Erzeugen eines ersten Musters und einen zweiten Arbeitsschritt zum Erzeugen eines zweiten Musters umfassen. Dabei können der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt zeitlich getrennt und/oder mit verschiedenen Werkzeugen ablaufen.
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Es kann daher vorgesehen sein, dass das erste Muster mit einem ersten Prägewerkzeug und das zweite Muster mit einem zweiten Prägewerkzeug erzeugt werden.
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Durch Verwendung unterschiedlicher Prägewerkzeuge, wie bspw. einer Doppelrolle, durch die ein Material gleichzeitig auf seiner Oberseite und seiner Unterseite geprägt wird, können zwei verschiedene, den jeweiligen Prägewerkzeugen entsprechende Muster geprägt werden.
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Zum Verbinden der Oberschale mit der Unterschale können diese bspw. miteinander verklebt oder verschweißt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erste Muster zu einem ersten Zeitpunkt und das zweite Muster zu einem von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen zweiten Zeitpunkt erzeugt werden.
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Durch zeitlich getrennte Erzeugungsschritte für verschiedene Muster auf verschiedenen Seiten eines Materials zum Bilden der vorgestellten Bipolarplatte kann bspw. ein einzelnes Werkzeug, wie bspw. ein Laser, verwendet werden, um verschiedene Muster zu erzeugen.
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Ferner können komplexe Strukturen, wie bspw. in einer ersten Richtung verlaufende Strömungskanäle und anschließend orthogonal zu der ersten Richtung verlaufende Einlasskanäle und Auslasskanäle, besonders einfach und effizient mittels mehrerer Werkzeuge, wie bspw. mehrerer Stempel, in unterschiedlichen Erzeugungsschritten erzeugt werden.
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In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl erfindungsgemäßer Bipolarplatten.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem ist aufgrund der Bipolarplatten besonders thermisch stabil und zeigt nur minimale Alterungserscheinungen über die Zeit.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Draufsicht,
- 2 eine Draufsicht auf eine Oberseite einer Unterschale der Bipolarplatte aus 1,
- 3 eine Draufsicht auf eine Unterseite der Unterschale aus 2,
- 4 eine mögliche Ausgestaltung einer Oberschale der vorgestellten Bipolarplatte in einer Seitenansicht,
- 5 einen Temperaturverlauf eines durch die Bipolarplatte aus 1 geleiteten Kühlmittels,
- 6 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 7 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bren nstoffzel lensystems.
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In 1 ist eine Bipolarplatte 100 mit einer aktiven Fläche 101 dargestellt. Die Bipolarplatte 100 wird über einen ersten Einlasskanal 105 mit einem ersten Betriebsmedium, hier Luft, einen zweiten Einlasskanal 107 mit einem zweiten Betriebsmedium, hier Kühlmittel und einen dritten Einlasskanal 109 mit einem dritten Betriebsmedium, hier Wasserstoff, durchströmt. Über einen ersten Auslasskanal 111 wird Luft, über einen zweiten Auslasskanal 113 wird Kühlmittel und über einen dritten Auslasskanal 115 wird Wasserstoff bzw. Abgas abgeführt.
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Während Luft geradlinig von dem ersten Einlasskanal 105 zu dem ersten Auslasskanal 111, also in einer Counterflowcharakteristik geleitet wird, sind der zweite Einlasskanal 107, der zweite Auslasskanal 113, der dritte Einlasskanal 109 und der dritte Auslasskanal 115 über Kreuz, also in einer Crossflowcharakteristik angeordnet.
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In 2 ist eine Unterseite einer Oberschale 200, hier eine Kathodenhalbschale der Bipolarplatte 100, dargestellt. Die Unterseite der Oberschale 200 bildet zusammen mit einer Oberseite einer Unterschale Strukturen zum Leiten des Kühlmittels. Wie durch Pfeil 201 angedeutet, verläuft der zweite Einlasskanal 107 orthogonal zu einer Strömungsrichtung der Luft auf einer Oberseite der Oberschale 200, wie durch Pfeile 203 angedeutet. Analog verläuft der zweite Auslasskanal 113 orthogonal zu der Strömungsrichtung der Luft.
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Zweite Strömungskanäle 205 für das Kühlmittel, verlaufen parallel zur Strömungsrichtung der Luft und entsprechend orthogonal zu dem zweiten Einlasskanal 107 und dem zweiten Auslasskanal 113. Entsprechend strömt durch den zweiten Einlasskanal 107 geleitetes Kühlmittel in einer z-förmigen Strömungscharakteristik von dem zweiten Einlasskanal 107 über die zweiten Strömungskanäle 205 zu dem zweiten Auslasskanal 113 und schließlich aus der Bipolarplatte 100.
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Aufgrund der parallel zu der Strömungsrichtung der Luft verlaufenden zweiten Strömungskanäle 205 erfolgt ein effektiver Übergang von thermischer Energie zwischen der Luft und in den zweiten Strömungskanälen 205 strömendem Kühlmittel.
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In 3 ist eine Unterschale 300, hier eine Anodenhalbschale der Bipolarplatte 100, dargestellt. Wie durch Pfeil 301 angedeutet, verläuft der dritte Einlasskanal 109 orthogonal zu einer Strömungsrichtung der Luft. Analog verläuft der dritte Auslasskanal 115, wie durch Pfeil 303 angedeutet, orthogonal zu der Strömungsrichtung der Luft.
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Dritte Strömungskanäle 307 verlaufen parallel zur Strömungsrichtung der Luft und dem Kühlmittel und entsprechend orthogonal zu dem dritten Einlasskanal 109 und dem dritten Auslasskanal 115. Entsprechend strömt durch den dritten Einlasskanal 109 geleitetes drittes Betriebsmedium, hier Wasserstoff, in einer z-förmigen Strömungscharakteristik von dem dritten Einlasskanal 109 über die dritten Strömungskanäle 307 zu dem dritten Auslasskanal 115 und schließlich aus der Bipolarplatte 100.
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Aufgrund der parallel zu der Strömungsrichtung der Luft und des Kühlmittels verlaufender zweiter Strömungskanäle 205 erfolgt ein effektiver Übergang von thermischer Energie zwischen dem Kühlmittel und in den dritten Strömungskanälen 207 strömendem Wasserstoff.
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In 4 ist die Oberschale 200 in einer Seitenansicht dargestellt. Hier ist gut erkennbar, dass sich eine Oberflächenstruktur einer Oberseite 401 der Oberschale 200 stark von einer Oberflächenstruktur einer Unterseite 403 der Oberschale 200 unterscheidet, insbesondere derart unterscheidet, dass diese nicht als positiv und negativ zueinander passen, wie es für in ein Metallblech geprägte Muster typisch ist.
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In 5 ist ein Diagramm 500 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über eine Strecke auf der Bipolarplatte 100 und auf der Ordinate über eine Kühlmitteltemperatur erstreckt. Ein Verlauf 501 zeigt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen einer auf der Bipolarplatte zurückgelegten Strecke und einer Erwärmung des Kühlmittels besteht. Entsprechend bilden sich auf der Bipolarplatte 100 keine besonders heißen oder kalten Stellen, sodass die Bipolarplatte 100 gleichmäßig temperiert wird und entsprechend wenig Alterungspotential zeigt.
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In 6 ist ein Herstellungsverfahren 600 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 600 umfasst jeweils für eine Oberschale und eine Unterschale einen Extrudierungsschritt 601 zum Extrudieren eines Kunststoff umfassenden Materials, einen ersten Erzeugungsschritt 603 zum Erzeugen eines ersten Musters an Strömungskanälen auf einer ersten Seite des Materials und einen zweiten Erzeugungsschritt 605 zum Erzeugen eins zweiten Musters an Strömungskanälen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Materials, wobei das erste Muster und das zweite Muster unabhängig voneinander erzeugt werden. Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren 600 einen Verbindungsschritt 607 zum Verbinden der Oberschale mit der Unterschale.
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In 7 ist ein Brennstoffzellensystem 700 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 700 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 701 mit einer Vielzahl Bipolarplatten 100.
