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Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einer Anlage zur Wasserstoffherstellung geeignete Elektrolyseplatte. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrolyseplatte.
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Aus der
EP 1 587 760 B1 ist eine Elektrolysezelle bekannt, welche mehrere Elektrolyseplatten umfasst. Die Elektrolyseplatten sind hierbei innerhalb eines Gehäuses an Nuteneinrichtungen befestigt. Das Gehäuse der bekannten Elektrolysezelle weist einen Einlass und ein Auslass auf, um den Durchfluss eines Fluids zu ermöglichen. In dem Gehäuse ist eine Vielzahl an Platten in gestapelter Form angeordnet.
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Eine in der
DE 199 56 787 A1 beschriebene Elektrolyseplatte besteht aus einem äußeren, nicht-leitenden Rahmen und einer darin gelagerten, elektrisch leitfähigen, bipolaren Graphitplatte. Zur Zwangsführung von Elektrolytlösungen im Bereich einer Elektrolytzuführung sind Kunststoffschürzen vorgesehen.
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Die
EP 3 725 916 A1 offenbart eine zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Generierung von Wasserstoff vorgesehene Elektrolyseplatte, welche eine Öffnung zur Durchleitung von Gas aufweist, wobei Ränder der Öffnung mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material abgedeckt sind.
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Aus der
EP 3 575 442 A1 ist ein bipolares elektrisches Gefäß bekannt, welches zur Herstellung von Wasserstoff vorgesehen ist. Die Anode und/oder Kathode des Gefäßes ist als poröse Elektrode ausgebildet. Bei einer Membran des bipolaren Gefäßes handelt es sich um eine poröse Membran mit anorganischen Bestandteilen. Die Vorrichtung nach der
EP 3 575 442 A1 soll zur alkalischen Elektrolyse geeignet sein.
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Eine aus der
DE 10 2013 225 159 B4 bekannte Anordnung elektrochemischer Zellen, welche beispielsweise zur Durchleitung von Wasser oder wässrigen Elektrolyten vorgesehen ist, umfasst Grundelemente in Form flächiger Gebilde, die eine Netzstruktur aufweisen oder aus einem porösen Werkstoff gebildet sind. Mehrere Grundelemente sind übereinander angeordnet, wobei Randbereiche der Grundelemente mit Hilfe einer Füllmasse fluiddicht verbunden sind.
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Weitere Gestaltungsmöglichkeiten elektrochemischer Systeme sind in den Dokumenten
WO 2019/121947 A1 und
WO 2020/030644 A1 offenbart. Die elektrochemischen Systeme umfassen jeweils mehrere Separatorplatten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Elektrolyseplatten, welche zur Wasserstoffherstellung geeignet sind, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen sowie strömungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zur Verwendung bei der Wasserelektrolyse geeignete Elektrolyseplatte mit den Merkmalen den Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrolyseplatte gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Elektrolyseplatte, und umgekehrt.
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Als „Elektrolyseplatte“ wird dabei eine Elektrode oder Elektrodenplatte verstanden, welche als Anode oder Kathode einer Elektrolysezelle zum Einsatz kommt.
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Die Elektrolyseplatte umfasst ein rechteckiges Profilblech aufweisend zwei Längsseiten und zwei Schmalseiten, welches einen äußeren, rahmenförmigen Verbindungsbereich und einen in diesem liegenden Profilbereich mit rechteckiger, nicht quadratischer Grundform aufweist, welcher ein Aktivfeld bildet. Insbesondere kann die Elektrolyseplatte ausschließlich aus dem Profilblech gebildet sein. Die Oberfläche des Profilbereichs begrenzt innerhalb einer fertig montierten Elektrolysevorrichtung einen Strömungskanal, dessen Längsrichtung LR durch die nicht quadratische, rechteckige Form des Profilbereichs gegeben ist und parallel zu den Längsseiten verläuft, wobei ein Prägemuster des Profilblechs in Längsrichtung LR des Profilbereichs mindestens dreimal, nicht überlappend oder berührend, das heißt unter Einhaltung von Abständen, hintereinander angeordnet ist. Das jeweilige Prägemuster ist aus mindestens drei nebeneinander angeordneten, sich in der Längsrichtung LR erstreckenden und eine Zickzack- oder Wellenform beschreibenden Prägeeinzelmustern gebildet, wobei aufeinanderfolgende Prägemuster durch einen bandförmigen Zwischenabschnitt mit Zwischenprofilierungen voneinander getrennt sind, und wobei jeder bandförmige Zwischenabschnitt parallel zu den Schmalseiten verlaufend angeordnet ist.
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Eine Länge H2 des rechteckigen Profilblechs steht zu einer Breite B2 des rechteckigen Profilblechs insbesondere in folgender Beziehung: H2 > 1,33 B2 Die Dicke eines ebenen Profilblechs beträgt vor dem Einprägen der Prägemuster und Zwischenprofilierungen bevorzugt 0,5 bis 1 mm.
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Die Elektrolyseplatte verteilt im Bereich des Aktivfeldes (= Profilbereich), also dem Bereich der Platte, in welchem chemische Reaktionen stattfinden, in Längsrichtung LR vorbeiströmende Medien einerseits gleichmäßig durch die vorhandenen, voneinander beabstandeten Prägemuster. Während im Einströmbereich eines Prägemusters eine noch gleichmäßige Medienverteilung vorliegt, entstehen während des überwiegend laminaren Vorbeiströmens des Mediums, hier Wasser, an dem Prägemuster durch die chemische Reaktion bei Durchführung der Elektrolyse gasförmige Medien, hier Wasserstoff oder Sauerstoff. Das Fluidgemisch weist im Ausströmbereich aus einem Prägemuster daher Inhomogenitäten auf, die sich in einer inhomogenen Wasser-GasVerteilung, einer inhomogenen Temperaturverteilung, einer inhomogenen Druckverteilung und dergleichen äußern können. Ein sich an ein Prägemuster anschließender bandförmiger Zwischenabschnitt dient der Durchmischung und Homogenisierung des strömenden Mediums oder Fluidgemisches aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen. Dies wird erreicht, indem die Zwischenprofilierungen zur Erzeugung von turbulenter Strömung und Verwirbelungen eingesetzt werden. So liegt im Einströmbereich des sich in Längsrichtung LR gesehen anschließenden Prägemusters wieder ein homogenes oder weitgehend homogenisiertes Medium oder Fluidgemisch vor. Dadurch wird die Effizienz des Elektrolyseprozesses signifikant gesteigert.
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Ein bevorzugtes Verhältnis einer Länge H9 eines Zwischenabschnitts in Längsrichtung LR und einer Länge H8 eines Prägemusters in Längsrichtung LR liegt daher im Bereich von H9/H8 = 1/30 bis 1/50. Demnach sind die Prägemuster in Längsrichtung LR deutlich länger ausgebildet als die Zwischenabschnitte, die zu einer Homogenisierung der entlangströmenden Medien dienen.
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Die Profilierung der Elektrolyseplatte in Form sich wiederholender, voneinander beabstandeter Prägemuster wird auch als geclusterte Profilierung bezeichnet. Die Vorteile der Clusterung kommen insbesondere bei großformatigen Platten zum Tragen. Die Herstellung solcher für die Elektrolyse, insbesondere Wasserelektrolyse, geeigneter erfindungsgemäßer Elektrolyseplatten ist in folgenden Schritten möglich:
- - Bereitstellung eines eine rechteckige Form aufweisenden Profilbleches, wobei ein äußerer, rahmenförmiger Bereich des Profilbleches entsprechend seiner Funktion in einer fertiggestellten Elektrolysezelle als Verbindungsbereich definiert ist,
- - Erzeugung der mindestens drei gleichartigen, voneinander beabstandeten Prägemustern und der bandförmigen Zwischenabschnitte in dem vom Verbindungsbereich umschlossenen Profilbereich des Profilbleches.
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Besonders eignet sich die Clusterung der Prägemuster für eine Profilierung in einem Durchlaufverfahren. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein Walzprägeverfahren. Alternativ werden die Elektrolyseplatten einzeln mit Hilfe von Pressen hergestellt. Auch eine Kombination kontinuierlicher und diskontinuierlicher Fertigungstechnologien zur Formung der Prägemuster ist möglich.
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In jedem Fall kann durch die Clusterung der Prägemuster der Herstellungsaufwand in Relation zur Größe und Komplexität der Elektrolyseplatte in einem moderaten Rahmen gehalten werden. Was die Geometrie der Prägemuster betrifft, existiert ein weiter Gestaltungsspielraum, wobei die im Einzelfall gegebenen strömungstechnischen Gegebenheiten ebenso wie die Platzverhältnisse in einem Stack, welcher eine Mehrzahl an Elektrolyseplatten umfasst, relevante Randbedingungen darstellen. Insbesondere können die Prägemuster in Form einzelner, voneinander beabstandeter zickzack- oder wellenförmiger Prägeeinzelmuster, das heißt zusammenhängender linienförmiger Erhebungen und/oder Vertiefungen, vorliegen. Auch die Aggregatzustände der Medien, welche an der Oberfläche der Elektrolyseplatte strömen, spielen eine Rolle. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung beschreiben die Prägemuster daher ein zickzack- oder wellenförmiges Grundmuster, wobei sich gezackte oder gewellte Linien oder Anordnungen von Prägeelementen, welche insgesamt die Zickzack- oder Wellenform beschreiben, in Längsrichtung LR des Profilbereichs erstrecken.
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Bevorzugt ist das Prägemuster des Profilblechs in Längsrichtung LR des Profilbereichs mindestens viermal hintereinander angeordnet.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Konzeption sind zwischen den Abschnitten des Profilbereichs, in welchen jeweils ein Prägemuster ausgebildet ist, bandförmige Zwischenprofilierungen vorhanden. Durch die Zwischenprofilierungen kann insbesondere eine Art Bypass ausgebildet sein. Unabhängig von der geometrischen Gestaltung einer Zwischenprofilierung kann diese in Längsrichtung des Profilbereichs mit beiden benachbarten Prägemustern überlappen, was vorteilhaft im Sinne einer gezielten Leitung von Medium von einem Prägemuster zum nächsten Prägemuster ist.
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Die Zwischenprofilierungen sind bevorzugt als diskrete Erhebungen ausgebildet, die kreisförmig, oval, rechteckig oder dreieckig ausgebildet sind oder aus Kombinationen oder Gruppen solcher gleicher oder unterschiedlicher diskreter Erhebungen gebildet sind. Prinzipiell sind auch andere Formen der Zwischenprofilierungen, wie sternförmige, in sich gewundene oder unregelmäßig geformte diskrete Erhebungen möglich, solange eine Auflösung der laminaren Strömung und eine Verwirbelung des aus den Prägemustern anströmenden Fluidgemisches erfolgt. So können innerhalb eines bandförmigen Zwischenabschnitts unterschiedliche diskrete Erhebungen vorgesehen sein. Weiterhin können eine oder mehrere Reihen von gleichen oder unterschiedlichen Zwischenprofilierungen im bandförmigen Zwischenabschnitt angeordnet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausbildung überlappen die Zwischenprofilierungen in Längsrichtung LR des Profilbereichs mit mindestens einem der beiden benachbarten Prägemuster. Der Überlappungsbereich ist dabei in Längsrichtung LR bevorzugt kleiner als 20% der Länge H9 des bandförmigen Zwischenabschnitts.
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Die Höhe h einer Zwischenprofilierung, gemessen senkrecht auf die ebene, nicht verformte Blechoberfläche, liegt vorzugsweise im Bereich von h = 2s bis 6s, wobei s = 0,5 bis 1,0 mm beträgt. Eine jede Zwischenprofilierung weist dabei eine in Längsrichtung LR gesehen ansteigende und abfallende Flanke auf, um eine diskrete Erhebung auszubilden. Die ansteigende Flanke und die abfallende Flanke umschließen dabei in Längsrichtung LR gemessen vorzugsweise einen Winkel α im Bereich von 50° bis 62°. Dies ist insbesondere für Profilbleche, die aus Titan oder Edelstahl gebildet sind, bevorzugt.
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Es sind aber auch metallische Profilbleche aus anderen Metallen oder Metalllegierungen einsetzbar. Weiterhin können die verwendeten Profilbleche ein- oder beidseitig beschichtet ausgeführt sein.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung umfasst der Profilbereich mindestens ein Sub-Cluster an gleichartigen Prägemustern sowie mindestens ein in Längsrichtung vor- oder nachgelagertes, sich hiervon unterscheidendes Prägemuster. Das vom Sub-Cluster abweichende Prägemuster in einem dem Sub-Cluster in Strömungsrichtung vor- oder nachgelagerten Bereich kann zum Beispiel dem Zweck dienen, die Strömung in dem entsprechenden Bereich zu beruhigen. Dies kann zum Beispiel geschehen, indem langgestreckte Prägeeinzelmuster, welche ein Prägemuster bilden, innerhalb des Sub-Clusters in einem größeren Winkel schräg zur Längsrichtung des Profilbereichs gestellt sind als außerhalb des Sub-Clusters.
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Weiterhin ist es möglich, dass die bandförmigen Zwischenabschnitte zwischen den Prägemustern sich hinsichtlich ihrer Zwischenprofilierungen gleichen oder zumindest teilweise unterscheiden. So können innerhalb eines bandförmigen Zwischenabschnitts unterschiedliche diskrete Erhebungen vorgesehen sein
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In dem rahmenförmigen Verbindungsbereich, welcher den Profilbereich umgibt, können sich mehrere Öffnungen zur Durchleitung von Medien und/oder zum Durchstecken von Verbindungselementen, insbesondere Spannankern, befinden. Im Übrigen befinden sich im Verbindungsbereich typischerweise Abdichtungen. Optional sind im Verbindungsbereich zu diesem Zweck rillenförmigen Vertiefungen vorhanden, welche zum Einlegen von Dichtungen vorgesehen sind. Ebenso können Dichtungen ebene Abschnitte des Verbindungsbereichs kontaktieren. Der Verbindungsbereich kann weiterhin durch einen separaten Rahmen, der beispielsweise aus Kunststoff oder einem Kohlenstoff-Kunststoff-Komposit gebildet ist, gehalten werden. In einem solchen Fall kann die Abdichtung auch im Bereich dieses Rahmens angeordnet sein.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils vereinfacht:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Elektrolyseplatte für die Wasserelektrolyse,
- 2 ein zweite Ausführungsform einer Elektrolyseplatte,
- 3 bis 5 in schematischen Ausschnitten Merkmale weiterer Elektrolyseplatten.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Elektrolyseplatte ist zur Verwendung in einer Wasserstoffelektrolyseanlage vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Elektrolyseplatte 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Die Elektrolyseplatte 1 ist in sämtlichen Ausführungsformen als Profilblech 2 gestaltet, welches einen rahmenförmigen Verbindungsbereich 3 und einen in diesem Bereich 3 liegenden rechteckigen Profilbereich 4 aufweist. Bei dem Profilblech 2 handelt es sich hier insbesondere um Stahlblech, welches ein- oder beidseitig beschichtet sein kann.
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An der Oberfläche des Profilbereichs 4 strömt ein Medium, insbesondere eine saure oder alkalische wässrige Flüssigkeit, im Wesentlichen in Längsrichtung LR des Profilblechs 2. Die Breite des Profilblechs 2 ist mit B2, die Höhe des Profilblechs 2 mit H2 angegeben. Der Profilbereich 4 weist eine Breite B4 und eine Höhe H4 auf.
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Innerhalb des Verbindungsbereichs 3 befinden sich Öffnungen 6, welche die Durchleitung von Medien ermöglichen, sowie im Vergleich zu den kreisrunden Öffnungen 6 kleinere Bohrungen 5, durch die nicht dargestellte Spannanker gesteckt werden können, um zahlreiche Elektrolyseplatten 1 innerhalb eines Stacks mechanisch miteinander zu verbinden.
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Im Profilbereich 4 ist eine Profilierung in Form eines Clusters 7 ausgebildet. Die als Cluster 7 gestaltete Profilierung hat zum einen eine strömungstechnische Funktion und erhöht zum anderen im Vergleich zu einer ebenen Platte die mechanische Stabilität der Elektrolyseplatte 1. Innerhalb des Clusters 7 sind mehrere voneinander getrennte Prägemuster 8 umfassend jeweils mehr als drei nebeneinander angeordnete, sich in der Längsrichtung LR erstreckende und eine Zickzack- oder Wellenform beschreibende Prägeeinzelmustern 8a, 8b, 8c erkennbar, wobei jedes Prägemuster 8 insgesamt eine rechteckige Form zeigt. Zwei Abschnitte des Clusters 7, in welchen sich ein Prägemuster 8 befindet, sind jeweils durch einen bandförmigen Zwischenabschnitt 9 voneinander getrennt.
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Die Breite der Prägemuster 8 und der Zwischenabschnitte 9 und damit des gesamten Prägemuster-Clusters 7 ist mit der Breite B4 des Profilbereichs 4 identisch. Die Länge eines jeden Prägemusters 8 ist mit H8, die Länge eines jeden Zwischenabschnitts 9 mit H9 angegeben (in Längsrichtung LR gesehen). Die Länge H8 beträgt bevorzugt mindestens das Dreißig-fache, jedoch nicht mehr als das 50-fache der Länge H9. Ein Überlapp zwischen in Längsrichtung LR, das heißt Strömungsrichtung, aufeinander folgenden Prägemustern 8 ist in keinem Fall gegeben. Im bandförmigen Zwischenabschnitt 9 sind Zwischenprofilierungen 10 vorhanden. Eine Gestaltung der Zwischenabschnitte 9 mit kreisförmigen Zwischenprofilierungen 14 ist in 1, eine Gestaltung der Zwischenabschnitte 9 mit dreieckigen Zwischenprofilierungen 12 ist in 2 dargestellt. Auch voneinander abweichende Gestaltungen verschiedener Zwischenabschnitte 9 innerhalb ein und derselben Elektrolyseplatte 1 sind möglich.
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Sowohl in der Ausführungsform nach 1 als auch in der Ausführungsform nach 2 liegt das Prägemuster 8 in Form von zickzack- oder wellenförmigen Prägeeinzelelementen 8a, 8b, 8c, die nebeneinander angeordnet sind und sich insgesamt in Längsrichtung LR erstrecken, vor.
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Derartige kreisförmigen Zwischenprofilierungen 14 sind auch in der Darstellung eines bandförmigen Zwischenabschnitts 9 nach 3 vorhanden. Der Zwischenabschnitt 9 ist in diesem Fall aus ovalen Zwischenprofilierungen 13 und kreisförmigen Zwischenprofilierungen 14 gebildet. Ein besonderer Vorteil dieser Gestaltung liegt in der guten umformtechnischen Umsetzbarkeit.
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Auch die zickzackförmigen Prägemuster 8, welche nicht nur in den Ausführungsformen nach den 1 und 2, sondern in der Variante nach 4 gezeigt sind, sind umformtechnisch erzeugbar, wobei scharfkantige Übergänge innerhalb des Zickzackmusters in den Figuren idealisiert dargestellt sind. Dies gilt auch für die in 4 erkennbaren rechteckigen, insbesondere rautenförmigen Zwischenprofilierungen 15, welche hier die Zwischenprofilierungen 10 bilden. Im Fall von 4 sind zwischen den Prägemustern 8 und den Zwischenabschnitten 9 Überlappungsbereiche 16 gebildet. Dabei ragen einige der rechteckigen Zwischenprofilierungen 15 in einen Bereich zwischen zwei Prägeeinzelmuster 8a, 8b, 8c (vergleiche 1) der beiden in Längsrichtung LR gesehen benachbarten Prägemuster 8.
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Gemäß 5 sind unterschiedliche Zwischenprofilierungen 10 in einem bandförmigen Zwischenabschnitt 9 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind links im Bild ovale Zwischenprofilierungen 13 vorhanden, die gegenüber der Längsrichtung LR schräggestellt ausgebildet sind. Hierbei alterniert die Ausrichtung der ovalen Zwischenprofilierungen 13, sodass sich insgesamt eine Zickzackanordnung ergibt. Wie weiter aus 5 hervorgeht, schließen sich rechts davon kreisförmige Zwischenprofilierungen 14 und weitere schräggestellte ovale Zwischenprofilierungen 13 an. Gezeigt sind weiterhin in einer 2-er Gruppierung angeordnete kreisförmige Zwischenprofilierungen 14' und rechts davon gegenüber der Längsrichtung LR nicht schräggestellte ovale Zwischenprofilierungen 13.
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Die Formen der in den 1 bis 5 gezeigten Zwischenprofilierungen 10, 12, 13, 14, 14', 15 sind nur beispielhaft gezeigt und können innerhalb eines bandförmigen Zwischenabschnitts 9 beliebig variiert und/oder miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrolyseplatte
- 2
- Profilblech
- 2a, 2b
- Längsseite
- 2c, 2d
- Schmalseite
- 3
- Verbindungsbereich
- 4
- Profilbereich
- 5
- Bohrung
- 6
- Öffnung
- 7
- Cluster
- 8
- Prägemuster
- 8a, 8b, 8c
- Prägeeinzelmuster
- 9
- Zwischenabschnitt
- 10
- Zwischenprofilierung
- 11
- Sub-Cluster
- 12
- Zwischenprofilierung dreieckig
- 13
- Zwischenprofilierung oval
- 14
- Zwischenprofilierung kreisförmig
- 14'
- Zwischenprofilierung kreisförmig und gruppiert in 2-er Anordnung
- 15
- Zwischenprofilierung rechteckig
- 16
- Überlappungsbereich
- B2
- Breite des Profilblechs
- B4
- Breite des Profilbereichs
- H2
- Länge des Profilblechs
- H4
- Länge des Profilbereichs in Längsrichtung LR
- H8
- Länge des Prägemusters in Längsrichtung LR
- H9
- Länge des Zwischenabschnitts in Längsrichtung LR
- LR
- Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1587760 B1 [0002]
- DE 19956787 A1 [0003]
- EP 3725916 A1 [0004]
- EP 3575442 A1 [0005]
- DE 102013225159 B4 [0006]
- WO 2019/121947 A1 [0007]
- WO 2020/030644 A1 [0007]
