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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte umfassend ein erstes Halbblech und ein zweites Halbblech, welche fest miteinander verbunden sind, wobei die Bipolarplatte mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen umfassend Fluideintrittsöffnungen und Fluidaustrittsöffnungen aufweist, wobei ein erstes Verteilerfeld zur Verteilung eines Fluids, ein Aktivfeld und ein zweites Verteilerfeld zur Verteilung des Fluids beidseitig auf der Bipolarplatte angeordnet sind, und mit mindestens einer Dichtung auf je einer Seite der Bipolarplatte, wobei ein Übergangsbereich zwischen einer Fluiddurchtrittsöffnung und einem angrenzenden Verteilerfeld ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2014 225 160 A1 beschreibt einen Metallseparator, das heißt eine Bipolarplatte, für einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anoden-Separator und einem Kathoden-Separator. Insbesondere beschreibt die
DE 10 2014 225 160 A1 eine Ausgestaltung eines Übergangsbereiches, der zwischen einer Fluiddurchtrittsöffnung und einem nicht näher gezeigten Aktivbereich, in welchem elektrochemische Reaktionen ablaufen, in dem Metallseparator ausgebildet ist. Der Metallseparator weist dabei auf beiden Seiten jeweils eine Dichtung auf, wobei die Dichtungen versetzt zueinander angeordnet sind. Am Einlass und Auslass des Metallseparators sind weiterhin in die Separatoren eingeprägte Stützelemente angeordnet, welche Kanäle für die Fluide zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels ausbilden.
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Die
CN208722997 U offenbart eine Bipolarplate für eine Brennstoffzelle mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte und deren Ausgestaltung in einem Übergangsbereich zwischen einer Fluiddurchtrittsöffnung und einem Reaktionsbereich, in welchem elektrochemische Reaktionen ablaufen. Die zu beiden Seiten der Bipolarplatte angeordneten Dichtungen sind versetzt zueinander und jeweils in einer langgestreckten Vertiefung oder Sicke angeordnet.
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Die
DE 10 2020 202 075 A1 beschreibt eine elektrochemische Zelle mit einer Zuführungsvorrichtung oder Bipolarplatte umfassend ein erste und eine zweite Platine zum Zuführen von Betriebsmedien von einer Fluiddurchtrittsöffnung, hier Portanschluss genannt, in einen Zuführungsbereich. In den Platinen sind Sicken zur Aufnahme von Dichtungen ausgebildet, die zueinander versetzt angeordnet sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art hinsichtlich eines auftretenden Druckverlustes und einer Dichtwirkung der Dichtungen im Übergangsbereich zu optimieren. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Zelle mit derart verbesserten Bipolarplatten bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird für die Bipolarplatte, umfassend ein erstes Halbblech und ein zweites Halbblech, welche fest miteinander verbunden sind, gelöst, indem die Bipolarplatte mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen umfassend Fluideintrittsöffnungen und Fluidaustrittsöffnungen aufweist, wobei ein erstes Verteilerfeld zur Verteilung eines Fluids, ein Aktivfeld und ein zweites Verteilerfeld zur Verteilung des Fluids beidseitig auf der Bipolarplatte angeordnet sind, und mit mindestens einer Dichtung auf je einer Seite der Bipolarplatte, wobei in mindestens einem Übergangsbereich zwischen einer Fluiddurchtrittsöffnung und einem angrenzenden Verteilerfeld
- - das erste Halbblech ausgehend von einer Fluideintrittsöffnung mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe in Richtung des zweiten Halbbleches versehen ist,
- - das zweite Halbblech ausgehend von der Fluideintrittsöffnung im Bereich der ersten Stufe mit einer dritten Stufe in Richtung des ersten Halbbleches versehen ist und im Bereich der zweiten Stufe mit einer vierten Stufe versehen ist, welche vom ersten Halbblech weggerichtet ist,
- - das erste Halbblech in einem Bereich zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale erste Prägestrukturen aufweist, die in Richtung des zweiten Halbbleches gewölbt sind,
- - das zweite Halbblech in einem Bereich zwischen der dritten Stufe und der vierten Stufe parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale zweite Prägestrukturen aufweist, die in Richtung des ersten Halbbleches gewölbt sind, mit den ersten Prägestrukturen fluchtend angeordnet sind und sich gegen die ersten Prägestrukturen abstützen,
- - das erste Halbblech einen ersten Dichtungsbereich aufweist, welcher im Bereich der ersten Prägestrukturen auf der, dem zweiten Halbblech abgewandten Seite des ersten Halbbleches ausgebildet ist und quer zu den ersten Prägestrukturen verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist,
- - das zweite Halbblech einen zweiten Dichtungsbereich aufweist, welcher im Bereich der zweiten Prägestrukturen auf der, dem ersten Halbblech abgewandten Seite des zweiten Halbbleches quer zu den zweiten Prägestrukturen verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist, wobei der erste Dichtungsbereich und der zweite Dichtungsbereich senkrecht zu einer von der Bipolarplatte aufgespannten Ebene gesehen deckungsgleich übereinander angeordnet sind, und
- - das zweite Halbblech einen Öffnungsschlitz aufweist, welcher zwischen der vierten Stufe und dem angrenzenden Verteilerfeld angeordnet ist, wobei dreidimensionale dritte Prägestrukturen vorhanden sind, die in Richtung des ersten Halbbleches gewölbt sind, mit den zweiten Prägestrukturen in einer Fluidströmungsrichtung fluchtend angeordnet sind und sich gegen das erste Halbblech abstützen, wobei der Öffnungsschlitz derart angeordnet ist, dass die im zweiten Halbblech angeordneten dritten Prägestrukturen von diesem durchschnitten sind.
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Dadurch, dass im Übergangsbereich zwischen einem Verteilerfeld und einer Fluiddurchtrittsöffnung die Dichtungen auf den beiden Halbblechen deckungsgleich übereinander verlaufen und zudem die ersten und zweiten Prägestrukturen durch das Dichtungsmaterial aufgefüllt und versteift sind, erhöht sich die Dichtwirkung zu an eine Bipolarplatte angrenzenden Bauteilen im Bereich der Fluiddurchtrittsöffnungen beträchtlich. Unter „deckungsgleich“ wird dabei verstanden, dass die Mittellinien des ersten und zweiten Dichtungsbereichs senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten Ebene gesehen übereinander liegen. Die Breite des ersten Dichtungsbereichs und des zweiten Dichtungsbereichs können sich jedoch geringfügig unterscheiden. Ein Aufbau eines Zellstapels elektrochemischer Zellen kann so mit definierter Verpressung der Dichtungen erfolgen. Auch der Auftrag des Dichtungsmaterials auf die Halbbleche ist im Übergangsbereich aufgrund der eingebrachten ersten und zweiten Prägestrukturen aufgrund der verbesserten Abstützung des jeweiligen Halbbleches genauer möglich. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Halbblech ist aufgrund der ersten und zweiten Prägestrukturen so groß, dass die Strömungsführung druckverlustarm erfolgen kann.
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Es hat sich bewährt, wenn in mindestens einem Übergangsbereich zwischen einer Fluiddurchtrittsöffnung und einem angrenzenden Verteilerfeld
- - das erste Halbblech ausgehend von einer Fluidaustrittsöffnung mit einer dritten Stufe und einer vierten Stufe in Richtung des zweiten Halbbleches versehen ist,
- - das zweite Halbblech ausgehend von der Fluidaustrittsöffnung im Bereich der dritten Stufe im ersten Halbblech mit einer ersten Stufe in Richtung des ersten Halbbleches versehen ist und im Bereich der vierten Stufe im ersten Halbblech mit einer zweiten Stufe versehen ist, welche vom ersten Halbblech weggerichtet ist,
- - das erste Halbblech in einem Bereich zwischen seiner dritten Stufe und seiner vierten Stufe parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale weitere erste Prägestrukturen aufweist, die in Richtung des zweiten Halbbleches gewölbt sind,
- - das zweite Halbblech in einem Bereich zwischen seiner ersten Stufe und seiner zweiten Stufe parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale weitere zweite Prägestrukturen aufweist, die in Richtung des ersten Halbbleches gewölbt sind, mit den weiteren ersten Prägestrukturen fluchtend angeordnet sind und sich gegen die weiteren ersten Prägestrukturen abstützen,
- - das erste Halbblech einen dritten Dichtungsbereich aufweist, welcher im Bereich der weiteren ersten Prägestrukturen auf der, dem zweiten Halbblech abgewandten Seite des ersten Halbbleches ausgebildet ist und quer zu den weiteren ersten Prägestrukturen verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist,
- - das zweite Halbblech einen vierten Dichtungsbereich aufweist, welcher im Bereich der weiteren zweiten Prägestrukturen auf der, dem ersten Halbblech abgewandten Seite des zweiten Halbbleches quer zu den weiteren zweiten Prägestrukturen verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist, wobei der dritte Dichtungsbereich und der vierte Dichtungsbereich senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten Ebene gesehen deckungsgleich übereinander angeordnet sind, und
- - das zweite Halbblech einen weiteren Öffnungsschlitz aufweist, welcher zwischen seiner zweiten Stufe und dem angrenzenden Verteilerfeld angeordnet ist, wobei dreidimensionale weitere dritte Prägestrukturen vorhanden sind, die in Richtung des ersten Halbbleches gewölbt sind, mit den weiteren zweiten Prägestrukturen in einer Fluidströmungsrichtung fluchtend angeordnet sind und sich gegen das erste Halbblech abstützen, wobei der weitere Öffnungsschlitz derart angeordnet ist, dass die im zweiten Halbblech angeordneten weiteren dritten Prägestrukturen von diesem durchschnitten sind.
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Die Vorteile dieser Anordnung im Bereich einer Fluidaustrittsöffnung sind analog wie oben für die Fluideintrittsöffnung beschrieben vorhanden. Unter „deckungsgleich“ wird dabei auch hier verstanden, dass die Mittellinien des dritten und vierten Dichtungsbereichs senkrecht zu der von der Bipolarplatte aufgespannten Ebene gesehen übereinander liegen. Die Breite des dritten Dichtungsbereichs und des vierten Dichtungsbereichs können sich jedoch geringfügig unterscheiden.
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Dabei befindet sich im Übergangsbereich zwischen einem Verteilerfeld und einer Fluiddurchtrittsöffnung auf jeder Seite der Bipolarplatte je ein Öffnungsschlitz, aus dem von einer Fluideintrittsöffnung kommend, ein Fluid über den Öffnungsschlitz in Richtung des Verteilerfeldes und des Aktivfeldes geleitet wird. Weiterhin befindet sich im Übergangsbereich zwischen einem Verteilerfeld und einer Fluiddurchtrittsöffnung auf der gleichen Seite der Bipolarplatte je ein weiterer Öffnungsschlitz, durch welchen das Fluid von Aktivfeld her kommend über ein weiteres Verteilerfeld in Richtung einer Fluidaustrittsöffnung geleitet wird. Dabei wird einem Aktivfeld auf einer ersten Seite der Bipolarplatte ein Oxidationsmittel und einem weiteren Aktivfeld auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite der Bipolarplatte ein Brennstoff zugeführt.
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Besonders bewährt hat sich dabei, wenn der erste Dichtungsbereich und der dritte Dichtungsbereich jeweils als Flachdichtungen ausgebildet sind. Der zweite Dichtungsbereich und der vierte Dichtungsbereich dagegen weisen bevorzugt jeweils zwei parallel verlaufende Dichtwulste auf. Beim Aufbau eines Zellstapels wird dadurch die Dichtigkeit verbessert und die Verpressung der Dichtungen der aufeinandergestapelten Bipolarplatten optimiert.
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Die ersten Prägestrukturen und die zweiten Prägestrukturen sind mit ihren Längsachsen vorzugsweise in Richtung einer Fluidströmungsrichtung zwischen der Fluiddurchtrittsöffnung und dem angrenzenden Verteilerfeld ausgerichtet. Die ersten und zweiten Prägestrukturen sind dabei bevorzugt geradlinig langgestreckt und mit gleichbleibender Breite und Länge ausgebildet, so dass diese sich optimal gegeneinander abstützen.
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Eine erste Fluideintrittsöffnung zur Zuführung und eine erste Fluidaustrittsöffnung zur Abführung von Oxidationsgas ist bevorzugt auf einer ersten Seite der Bipolarplatte eingerichtet. Eine zweite Fluideintrittsöffnung zur Zuführung und eine zweite Fluidaustrittsöffnung zur Abführung von Brenngas ist bevorzugt auf einer zweiten Seite der Bipolarplatte eingerichtet ist.
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Insbesondere ist jedes Halbblech der Bipolarplatte im Bereich des ersten Verteilerfeldes, des Aktivfeldes und des zweiten Verteilerfeldes zur Ausbildung von Fluidleitpfaden dreidimensional strukturiert. Eine solche Strukturierung ist insbesondere durch Prägen der Halbbleche gebildet. Die Strukturierung kann durch die Ausbildung von Kanälen, lokal begrenzten Erhebungen oder Vertiefungen und dergleichen erfolgen.
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Zwischen dem ersten Halbblech und dem zweiten Halbblech der Bipolarplatte ist bevorzugt ein Fluidleitpfad für ein Kühlmittel ausgebildet. Dieser wird über eine Fluideintrittsöffnung gespeist. Eine Fluidaustrittsöffnung dient der Abführung des Kühlmittels.
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Die Aufgabe wird weiterhin für eine elektrochemische Zelle gelöst, umfassend mehrere erfindungsgemäße Bipolarplatten und zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit, die beidseitig mit jeweils einer Fluidtransportschicht belegt ist.
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Bei der elektrochemischen Zelle handelt es sich vorzugsweise um eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse von Wasser oder um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsgas.
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Bei einer Elektrolysezelle wird eine Fluidtransportschicht auch als poröse Transportschicht, kurz PTL (= porous transport layer), bezeichnet. Bei einer Brennstoffzelle wird eine Fluidtransportschicht häufig als Gasdiffusionsschicht, kurz GDL (= gas diffusion layer), bezeichnet.
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Eine Stapelanordnung umfassend mehrere Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen ist ebenfalls ausbildbar.
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Die 1 bis 9 sollen die Erfindung bespielhaft erläutern. So zeigt:
- 1 eine Bipolarplatte in der Draufsicht von einer Seite,
- 2 einen Querschnitt II-II' durch die Bipolarplatte aus 1 im Bereich einer Fluideintrittsöffnung,
- 3 eine Draufsicht auf den Ausschnitt aus der Bipolarplatte gemäß 2,
- 4 eine Seitenansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte gemäß 2 von Seiten der Fluideintrittsöffnung gesehen,
- 5 eine Seitenansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte gemäß 2 von Seiten des Verteilerfeldes gesehen,
- 6 eine dreidimensionale Ansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte gemäß 2 ohne Darstellung der Dichtung 6',
- 7 eine dreidimensionale Ansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte gemäß 2 mit Dichtung 6',
- 8 einen Querschnitt III-III' durch die Bipolarplatte aus 1 im Bereich einer Fluidaustrittsöffnung, und
- 9 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Stapelanordnung von elektrochemischen Zellen.
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1 zeigt eine rechteckige Bipolarplatte 1 in der Draufsicht von einer Seite B. Die Bipolarplatte 1 umfasst ein erstes Halbblech 1a und ein zweites Halbblech 1b (vergleiche 2), welche fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch ein Verschweißen, Verkleben oder ähnliches. Die Bipolarplatte 1 weist weiterhin mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen 2 auf, die an beiden Enden der rechteckigen Bipolarplatte 1 angeordnet sind. Die Fluiddurchtrittsöffnungen 2 umfassen dabei Fluideintrittsöffnungen 2a, 2c, 2e und Fluidaustrittsöffnungen 2b, 2d, 2f. Zwischen den Fluiddurchtrittsöffnungen 2 befindet sich ein erstes Verteilerfeld 3 zur Verteilung eines Fluids, ein Aktivfeld 4 und ein zweites Verteilerfeld 5 zur Verteilung des Fluids. Diese Anordnung von Fluiddurchtrittsöffnungen 2, Verteilerfeldern 3, 5 und Aktivfeld 4 befindet sich fluchtend dazu auch auf der zweiten Seite A der Bipolarplatte 1. Die Bipolarplatte 1 weist auf jeder Seite A, B mindestens eine Dichtung 6, 6' (vergleiche 2) auf, deren Verlauf hier der besseren Übersicht halber als gestrichelte Linie angedeutet ist. Dabei verläuft die Dichtung 6, 6' am Umfang einer jeden Halbplatte 1a, 1b herum und weiterhin um jede der Fluiddurchtrittsöffnungen 2 herum.
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In einem Übergangsbereich 7 zwischen der Fluideintrittsöffnung 2c für Brennstoff und dem angrenzenden Verteilerfeld 5 wurde ein Schnitt II-II' angeordnet, der in 2 dargestellt ist.
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Dort ist erkennbar, dass das erste Halbblech 1a ausgehend von der Fluideintrittsöffnung 2c mit einer ersten Stufe 8a und einer zweiten Stufe 8b in Richtung des zweiten Halbbleches 1b versehen ist. Das zweite Halbblech 1b ist ausgehend von der Fluideintrittsöffnung 2c im Bereich der ersten Stufe 8a mit einer dritten Stufe 8c in Richtung des ersten Halbbleches 1a versehen und im Bereich der zweiten Stufe 8b mit einer vierten Stufe 8c versehen, welche vom ersten Halbblech 1 a weggerichtet ist. Das erste Halbblech 1a weist in einem Bereich zwischen der ersten Stufe 8a und der zweiten Stufe 8b parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale erste Prägestrukturen 9a auf, die in Richtung des zweiten Halbbleches 1b gewölbt sind. Das zweite Halbblech 1b weist in einem Bereich zwischen der dritten Stufe 8c und der vierten Stufe 8d parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale zweite Prägestrukturen 9b auf, die in Richtung des ersten Halbbleches 1a gewölbt sind, mit den ersten Prägestrukturen 9a fluchtend angeordnet sind und sich gegen die ersten Prägestrukturen 9a abstützen. Das erste Halbblech 1a weist einen ersten Dichtungsbereich 6a in Form einer Flachdichtung auf, welcher im Bereich der ersten Prägestrukturen 9a auf der, dem zweiten Halbblech 1b abgewandten Seite des ersten Halbbleches 1a ausgebildet ist und quer zu den ersten Prägestrukturen 9a verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist. Die ersten Prägestrukturen 9a sind demnach mit Dichtungsmasse aufgefüllt und versteift.
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Das zweite Halbblech 1b weist einen zweiten Dichtungsbereich 6b mit zwei parallel verlaufenden Dichtwulsten 10a, 10b auf, welcher im Bereich der zweiten Prägestrukturen 9b auf der, dem ersten Halbblech 1a abgewandten Seite des zweiten Halbbleches 1b quer zu den zweiten Prägestrukturen 9b verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist. Die zweiten Prägestrukturen 9b sind demnach ebenfalls mit Dichtungsmasse aufgefüllt und versteift.
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Dabei liegen der erste Dichtungsbereich 6a und der zweite Dichtungsbereich 6b senkrecht zu einer von der Bipolarplatte 1 aufgespannten Ebene gesehen deckungsgleichübereinander und verlaufen somit parallel auf der Seite A und der Seite B der Bipolarplatte 1.
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Das zweite Halbblech 1b weist einen Öffnungsschlitz 11 auf, welcher zwischen der vierten Stufe 8d und dem angrenzenden Verteilerfeld 5 angeordnet ist, wobei dreidimensionale dritte Prägestrukturen 9c vorhanden sind, die in Richtung des ersten Halbbleches 1a gewölbt sind. Die dritten Prägestrukturen 9c sind mit den zweiten Prägestrukturen 9b in einer Fluidströmungsrichtung S fluchtend angeordnet und stützen sich gegen das erste Halbblech 1a ab. Der Öffnungsschlitz 11 ist derart angeordnet, dass die im zweiten Halbblech 1b angeordneten dritten Prägestrukturen 9c von diesem durchschnitten sind. Es ist demnach bei der Bildung des Öffnungsschlitzes 11 ein Teil des zweiten Halbbleches 1b ausgetrennt worden, das einen Teil der zuvor gebildeten dritten Prägestrukturen 9c beinhaltete.
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3 zeigt eine Draufsicht auf den Ausschnitt aus der Bipolarplatte 1 gemäß 2. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 kennzeichnen gleiche Elemente.
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4 zeigt eine Seitenansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte 1 gemäß 2 von Seiten der Fluideintrittsöffnung 2c aus gesehen. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Deutlich sind nun die ersten Prägestrukturen 9a und die zweiten Prägestrukturen 9b zu erkennen, die sich aufeinander abstützen und zwischen den beiden Halbblechen 1a, 1b einen Strömungskanal für ein Fluid ausbilden. Der Strömungskanal läuft auf den Öffnungsschlitz 11 zu.
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5 zeigt eine Seitenansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte 1 gemäß 2 von Seiten des Verteilerfeldes 5 aus gesehen. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Deutlich sind nun die dritten Prägestrukturen 9c und der Öffnungsschlitz 11 zu erkennen, der ein Fluid zwischen den beiden Halbblechen 1a, 1b hindurchströmen lässt.
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6 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte 1 gemäß 2 ohne Darstellung der Dichtung 6' beziehungsweise des zweiten Dichtungsbereiches 6b. In der zweiten Halbplatte 1b sind die langestreckten zweiten Prägestrukturen 9b sowie die dritten Prägestrukturen 9c zu erkennen, welche in Fluidströmungsrichtung S fluchtend hintereinander angeordnet sind. Die ersten Prägestrukturen 9a im ersten Halbblech 1a sind hier nicht zu erkennen. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 kennzeichnen gleiche Elemente.
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7 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Ausschnitts aus der Bipolarplatte 1 gemäß 2 mit der Dichtung 6' beziehungsweise dem zweiten Dichtungsabschnitt 6b. Die ersten Prägestrukturen 9a im ersten Halbblech 1a und die dritten Prägestrukturen 9c im zweiten Halbblech 1b sind hier zu erkennen. Die zweiten Prägestrukturen 9b im zweiten Halbblech 1b sind hier nicht zu erkennen und von der Dichtung 6' bedeckt. Gleiche Bezugszeichen wie in 2 kennzeichnen gleiche Elemente.
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8 zeigt einen Querschnitt III-III' durch die Bipolarplatte 1 aus 1 im Bereich einer Fluidaustrittsöffnung 2d für nicht verbrauchten Brennstoff. In einem Übergangsbereich 7 zwischen der Fluidaustrittsöffnung 2d und dem angrenzenden Verteilerfeld 3 weist das erste Halbblech 1a ausgehend von der Fluidaustrittsöffnung 2d eine dritte Stufe 8c' und eine vierte Stufe 8d' in Richtung des zweiten Halbbleches 1b auf. Das zweite Halbblech 1b ist ausgehend von der Fluidaustrittsöffnung 2d im Bereich der dritten Stufe 8c' im ersten Halbblech 1a mit einer ersten Stufe 8a' in Richtung des ersten Halbbleches 1a versehen und im Bereich der vierten Stufe 8d' im ersten Halbblech 1a mit einer zweiten Stufe 8b' versehen, welche vom ersten Halbblech 1a weggerichtet ist. Das erste Halbblech 1a weist in einem Bereich zwischen seiner dritten Stufe 8c' und seiner vierten Stufe 8d' parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale weitere erste Prägestrukturen 9a' auf, die in Richtung des zweiten Halbbleches 1b gewölbt sind. Das zweite Halbblech 1b weist in einem Bereich zwischen seiner ersten Stufe 8a' und seiner zweiten Stufe 8b' parallel zueinander ausgerichtete, langgestreckte dreidimensionale weitere zweite Prägestrukturen 9b' auf, die in Richtung des ersten Halbbleches 1a gewölbt sind, mit den weiteren ersten Prägestrukturen 9a' fluchtend angeordnet sind und sich gegen die weiteren ersten Prägestrukturen 9a' abstützen. Das erste Halbblech 1a weist einen dritten Dichtungsbereich 6c auf, welcher im Bereich der weiteren ersten Prägestrukturen 9a' auf der, dem zweiten Halbblech 1b abgewandten Seite des ersten Halbbleches 1a ausgebildet ist und quer zu den weiteren ersten Prägestrukturen 9a' verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist. Die weiteren ersten Prägestrukturen 9a' sind demnach mit Dichtungsmasse aufgefüllt und versteift.
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Das zweite Halbblech 1b weist einen vierten Dichtungsbereich 6d auf, welcher im Bereich der weiteren zweiten Prägestrukturen 9b' auf der, dem ersten Halbblech 1a abgewandten Seite des zweiten Halbbleches 1b quer zu den weiteren zweiten Prägestrukturen 9b' verlaufend und diese verfüllend angeordnet ist. Die weiteren zweiten Prägestrukturen 9b' sind demnach mit Dichtungsmasse aufgefüllt und versteift.
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Der dritte Dichtungsbereich 6c in Form einer Flachdichtung und der vierte Dichtungsbereich 6d umfassend zwei parallel zueinander verlaufende Dichtwulste 10a, 10b verlaufen senkrecht zu einer von der Bipolarplatte 1 aufgespannten Ebene gesehen deckungsgleich übereinander und verlaufen somit parallel auf der Seite A und der Seite B der Bipolarplatte 1.
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Das zweite Halbblech 1b weist einen weiteren Öffnungsschlitz 11' aufweist, welcher zwischen seiner zweiten Stufe 8b' und dem angrenzenden Verteilerfeld 3 angeordnet ist, wobei dreidimensionale weitere dritte Prägestrukturen 9c' vorhanden sind, die in Richtung des ersten Halbbleches 1a gewölbt sind. Die weiteren zweiten Prägestrukturen 9b' und die weiteren dritten Prägestrukturen 9c' sind in einer Fluidströmungsrichtung S fluchtend angeordnet und stützen sich gegen das erste Halbblech 1a ab. Der weitere Öffnungsschlitz 11' ist derart angeordnet, dass die im zweiten Halbblech 1b angeordneten weiteren dritten Prägestrukturen 9c' von diesem durchschnitten sind.
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Es ist demnach bei der Bildung des weiteren Öffnungsschlitzes 11' ein Teil des zweiten Halbbleches 1b ausgetrennt worden, das einen Teil der zuvor gebildeten weiteren dritten Prägestrukturen 9c' beinhaltete.
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Auf der Seite B der Bipolarplatte 1 befinden sich, wie oben beschrieben und in den 2 und 8 gezeigt, demnach der Einlass und Auslass für das Brenngas, wie insbesondere in Form von Wasserstoff.
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Auch auf der Seite A der Bipolarplatte 1 gemäß 1 befindet sich eine Anordnung zum Einlass und Auslass eines Fluids in Form eines Oxidationsmittels, wie insbesondere in Form von Luft oder Sauerstoff. Dabei strömt das Oxidationsmittel über die Fluideintrittsöffnung 2a auf die Seite A der Bipolarplatte 1 und damit über eine analoge Anordnung wie im Übergangsbereich 7 auf der Seite B der Bipolarplatte 1 über einen Öffnungsschlitz 11 in der ersten Halbplatte 1a in ein Verteilerfeld 3, auf das Aktivfeld 4, in ein weiteres Verteilerfeld 5 und einen weiteren Öffnungsschlitz 11' in der ersten Halbplatte 1a in Richtung der Fluidaustrittsöffnung 2b. Dabei ist für die Anordnung im Übergangsbereich 7 auf der Seite A der Bipolarplatte 1 lediglich die Bezeichnung der Halbplatten 1a, 1b umgekehrt zu verwenden. Das grundsätzliche Design für den Einlass und den Auslass des Oxidationsmittels entspricht dem für den Einlass und Auslass des Brennstoffs auf der Seite B der Bipolarplatte 1.
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Die Fluideintrittsöffnung 2e (vergleiche 1) ist für die Zuführung von Kühlmittel in einen nicht näher dargestellten Fluidleitpfad oder Strömungsraum zwischen den beiden Halbplatten 1a, 1b der Bipolarplatte 1 eingerichtet. Das Kühlmittel strömt die rechteckige Bipolarplatte 1 entlang und in die Fluidaustrittsöffnung 2f, wobei die Geometrie des Fluidleitpfades von den beiden strukturierten Halbblechen 1a, 1b vorgegeben ist. Der Bereich zwischen der Fluidaustrittsöffnung 2f am Übergang in den Fluidleitpfad zwischen den Halbplatten 1a, 1b unterliegt dabei keinen Design-Vorgaben und kann beliebig ausgeführt werden.
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Die geometrische Ausgestaltung der Fluiddurchtrittsöffnungen 2, der Verteilerfelder 3, 5 und des Aktivfeldes 4 sind dabei in weiten Grenzen veränderbar und müssen nicht, wie in den 1 bis 8 dargestellt, ausgebildet sein.
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9 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Stapelanordnung 20 von mehreren elektrochemischen Zellen 12. Eine elektrochemische Zelle 12 umfasst dabei mehrere Bipolarplatten 1, 1' und zwischen zwei Bipolarplatten 1, 1' angeordnet jeweils eine Membran-Elektrodeneinheit 13, die beidseitig mit jeweils einer hier nicht gesondert dargestellten Fluidtransportschicht belegt ist. Der besseren Übersicht halber wurde auch auf die Darstellung der Verteilerfelder 3, 5 zwischen den Fluiddurchtrittsöffnungen 2 und dem Aktivfeld 4 verzichtet. Der Querschnitt der Fluiddurchtrittsöffnungen 2 wurde hier im Unterschied zu 1 kreisrund ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Bipolarplatte
- 1a, 1b
- Halbblech
- 2
- Fluiddurchtrittsöffnung
- 2a, 2c, 2e
- Fluideintrittsöffnung
- 2b, 2d, 2f
- Fluidaustrittsöffnung
- 3
- erstes Verteilerfeld
- 4
- Aktivfeld
- 5
- zweites Verteilerfeld
- 6, 6'
- Dichtung
- 6a
- erster Dichtungsbereich
- 6b
- zweiter Dichtungsbereich
- 6c
- dritter Dichtungsbereich
- 6d
- vierter Dichtungsbereich
- 7
- Übergangsbereich
- 8a, 8a'
- erste Stufe
- 8b, 8b'
- zweite Stufe
- 8c, 8c'
- dritte Stufe
- 8d, 8d'
- vierte Stufe
- 9a, 9a'
- erste Prägestrukturen
- 9b, 9b'
- zweite Prägestrukturen
- 9c, 9c'
- dritte Prägestrukturen
- 10a, 10b
- Dichtwulst
- 11, 11'
- Öffnungsschlitz
- 12
- elektrochemische Zelle
- 13
- Membran-Elektrodeneinheit
- 20
- Stapelanordnung
- A
- erste Seite der Bipolarplatte
- B
- zweite Seite der Bipolarplatte
- S
- Fluidströmungsrichtung
