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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung, welche eine Membran und eine erste Elektrode umfasst, die an einer ersten Seite der Membran angeordnet ist und der eine erste Gasdiffusionslage zugeordnet ist. Zudem umfasst der Brennstoffzellenaufbau einen Rahmen.
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Ein derartiger Brennstoffzellenaufbau ist aus der
WO 2005/006473 A2 bekannt. Diese zeigt einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodeneinheit und zwei Gasverteilersubstraten, die jeweils in einem ersten Rahmen und in einem zweiten Rahmen angeordnet sind. Nachteilig ist hierbei der hohe Materialverbrauch, der zur Herstellung eines stabilen Brennstoffzellenaufbaus notwendig ist, wobei der Herstellungsprozess teuer und aufwendig ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenaufbau dahingehend weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile reduziert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Brennstoffzellenaufbau gemäß dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der Erfindung ist insbesondere genau ein Rahmen zwischen der ersten Elektrode und der ersten Gasdiffusionslage angeordnet. Zudem ist an einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung eine die Membranelektrodenanordnung lateral zumindest zum Teil umschließende und diese mit dem Rahmen verbindende Haftschicht vorgesehen. Der genau eine Rahmen reduziert das für den Brennstoffzellenaufbau benötigte Material und die für den Brennstoffzellenaufbau benötigten Lagen, so dass die Herstellung vereinfacht wird. Gleichzeitig ermöglicht die Haftschicht ein stabiles Verbinden der Membranelektrodenanordnung mit dem Rahmen, wobei die Materialmenge ebenfalls dadurch reduziert wird, dass sie lediglich in einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist.
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Unter dem Randbereich der Membranelektrodenanordnung wird ein die Membranelektrodenanordnung außenumfangsseitig umgebender mit einem sich parallel zur Stapelrichtung und sich teilweise orthogonal zur Stapelrichtung erstreckender Bereich verstanden. Die Erstreckung des Randbereichs orthogonal zur Stapelrichtung entspricht dabei jeweils weniger als 30 Prozent, vorzugsweise weniger als 20 Prozent, weiterhin vorzugsweise weniger als 10 Prozent und ganz besonders bevorzugt weniger als 5 Prozent der lateralen Gesamterstreckung der Membranelektrodenanordnung.
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Der Querschnitt der Haftschicht ist dabei vorzugsweise U-förmig oder C-förmig gebildet. Dadurch dient die Haftschicht sowohl als zusätzliche laterale Schutzschicht, als auch der Isolierung und/oder Abdichtung der Membranelektrodenanordnung. In einer alternativen Ausführungsform kann der Querschnitt der Haftschicht auch L-förmig gebildet sein.
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Insbesondere ist es sinnvoll, dass die Membranelektrodenanordnung eine zweite Elektrode umfasst, die auf einer der erste Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet ist, dass der zweiten Elektrode eine zweite Gasdiffusionslage zugeordnet ist, und dass die die Membranelektrodenanordnung lateral umschließende Haftschicht einen die Membranelektrodenanordnung an dem Randbereich mit dem Rahmen verbindenden ersten Haftschichtabschnitt und einen die Membranelektrodenanordnung an dem Randbereich mit der zweiten Gasdiffusionslage verbindenden zweiten Haftschichtabschnitt aufweist.
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Zur weiteren Reduzierung des Materials ist es bevorzugt, dass eine der Membran zugewandte erste Elektrodenfläche der ersten Elektrode und/oder eine der Membran zugewandte zweite Elektrodenfläche der zweiten Elektrode einen geringeren Flächeninhalt aufweist als die den Elektroden zugewandten Flächen der Membran. Bevorzugt ist die laterale Erstreckung - also die Erstreckung der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung - reduziert. Dies ermöglicht eine erhebliche Material- und Kostenersparnis.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Rahmen eine Aussparung mit einem Strömungsquerschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt demjenigen der ersten Elektrodenfläche und/oder demjenigen der zweite Elektrodenfläche entspricht oder geringer ist. Durch den Strömungsquerschnitt der Aussparung wird ein aktiver Bereich der Membranelektrodenanordnung vorgegeben, so dass an den Bereichen der Membranelektrodenanordnung, die durch die Haftschicht bedeckt sind und an denen keine Reaktion oder nur eine Reaktion in ganz geringen Maße abläuft, kein Elektrodenmaterial aufgebracht ist.
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Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Elektrodenfläche und/oder die zweite Elektrodenfläche dieselben randseitigen Abmessungen aufweisen wie die Aussparung.
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Es ist vorteilhaft, wenn die erste Gasdiffusionslage auf ihrer der ersten Elektrode zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage aufweist und/oder die zweite Gasdiffusionslage auf ihrer der zweiten Elektrode zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage aufweist. Die mikroporöse Lage dient oder dienen der Verbesserung eines Kathoden- oder eines Brennstofftransports und erhöht die Leistung der Brennstoffzelle, indem der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung erhöht wird. Die mikroporösen Lagen können dabei integraler Bestandteil der jeweiligen Gasdiffusionslage sein. Sie können aber auch als getrenntes, separates Bauteil vorliegen.
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Zur weiteren Materialeinsparung ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der ersten Gasdiffusionslage auf ihrer der ersten Elektrode zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage zugeordnet ist, deren Flächeninhalt geringer ist als derjenige des Querschnitts der ersten Gasdiffusionslage.
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Weiterhin ist es zur Materialeinsparung alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der zweiten Gasdiffusionslage auf ihrer der zweiten Elektrode zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage zugeordnet ist, deren Flächeninhalt geringer ist als derjenige der zweiten Gasdiffusionslage.
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In diesem Zusammenhang, um trotz Materialeinsparung eine hohe Effektivität/Leistung des Brennstoffzellenaufbaus zu erzielen, ist es bevorzugt, dass der Rahmen eine Aussparung mit einem Strömungsquerschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt demjenigen des Querschnitts der ersten mikroporösen Lage und/oder des Querschnitts der zweiten mikroporösen Lage entspricht oder auch geringer ist. Der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitt der mikroporösen Lagen entspricht somit im Wesentlichen einem durch die Aussparung vorgegebenen aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung. Die Materialmenge der mikroporösen Lage ist somit zwar reduziert, führt aber zu keinem Leistungsverlust des Brennstoffzellenaufbaus.
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Es ist daher von Vorteil, wenn die erste mikroporöse Lage und/oder die zweite mikroporöse Lage dieselben randseitigen Abmessungen aufweisen wie die Aussparung.
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Im Rahmen der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass eine die erste Gasdiffusionslage umfangsseitig abdichtende erste Dichtungslage dem Rahmen auf einer ersten Rahmenseite zugeordnet ist und eine die zweite Gasdiffusionslage und die Membran umfangsseitig abdichtende zweite Dichtungslage dem Rahmen auf einer der ersten Rahmenseite gegenüberliegenden zweiten Rahmenseite zugeordnet ist. Dabei sind die Dichtungslagen bevorzugt als komprimierbare Dichtungslippen oder Dichtungslinien gebildet.
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Um die umfangsseitige Abdichtung zu verbessern sind die Dichtungslippen lateral jeweils mehrfach vorgesehen, insbesondere zweifach oder dreifach. Die Dichtungslippen der ersten Dichtungslage weisen dabei bevorzugt einen größeren Durchmesser auf als die Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage. Dies ermöglicht, dass die Gasdiffusionslagen und die Membranelektrodenanordnung in lateraler Richtung flüssigkeits- und/oder gasdicht bzw. fluiddicht abgedichtet sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Brennstoffzellenaufbaus und
- 2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Brennstoffzellenaufbaus.
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1 zeigt einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung 1, welche eine semipermeable Membran 2 mit einer ersten Elektrode 3 auf ihrer ersten Seite 4 und eine zweite Elektrode 5 auf ihrer der ersten Seite 4 gegenüberliegenden zweiten Seite 6 umfasst. Die erste Elektrode 3 ist dabei bevorzugt als eine Kathode gebildet und die zweite Elektrode 5 als eine Anode. Die Membran 2 ist vorzugsweise auf der ersten Seite 4 und auf der zweiten Seite 6 mit einer Katalysatorschicht aus Edelmetallen oder Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der Brennstoffzelle dienen.
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In einer derartigen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der ersten Elektrode 3 (Anode) Brennstoff oder Brennstoffmoleküle, insbesondere Wasserstoff, in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran 2 lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). Die Membran 2 ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Die Membran 2 kann alternativ auch als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein. An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/E lektronenabgabe).
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Während die Protonen durch die Membran 2 zur ersten Elektrode 3 (Kathode) hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. An der Kathode ist ein Kathodengas, insbesondere Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft, bereitgestellt, so dass hier die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Der ersten Elektrode 3 ist eine erste Gasdiffusionslage 7 zugeordnet und der zweiten Elektrode 5 ist eine zweite Gasdiffusionslage 8 zugeordnet. Die Gasdiffusionslagen sind bevorzugt aus Kohlenstoff-Faser-Papier (CFP=„Carbon Fiber Paper“) gebildet. Zur Reduzierung des benötigten Materials weist eine der Membran 2 zugewandte erste Elektrodenfläche 33 der ersten Elektrode 3 einen geringeren Flächeninhalt auf als die den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran 2. Bei einem alternativen Brennstoffzellenaufbau weist eine der Membran 2 zugewandte zweite Elektrodenfläche 34 der zweiten Elektrode 5 einen geringeren Flächeninhalt auf als die den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran. Bei einem weiteren Brennstoffzellenaufbau sind die Flächeninhalte der ersten und der zweiten Elektrodenflächen 33, 34 geringer als diejenigen der den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran 2.
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Zur Verbesserung einer Fluid- oder Gasströmung innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus und zur Erhöhung eines Wassergehalts in der Membran ist der ersten Gasdiffusionslage 7 auf ihrer der ersten Elektrode 3 zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage 20 zugeordnet. Ebenso ist der zweiten Gasdiffusionslage 8 an ihrer der zweiten Elektrode 5 zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage 21 zugeordnet. Die lateralen Abmessungen der mikroporösen Lagen 20, 21 entsprechen dabei im Wesentlichen den lateralen Abmessungen der jeweiligen Gasdiffusionslage 7, 8.
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Um die Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus zu vergrößern, ist zwischen der ersten Elektrode 3 und der ersten Gasdiffusionslage 7 ein Rahmen 11 mit einer Aussparung 12 angeordnet. Ein aktiver Bereich 14 der Membranelektrodenanordnung 1 ist dabei mittels eines durch die Aussparung 12 vorgegebenen Strömungsquerschnitts 13 vorgegeben. Um den Materialverbrauch zu optimieren entspricht der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitts 13 der Aussparung 12 dem Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche 28. Insbesondere weist die erste Elektrodenfläche 28 dieselben randseitigen Abmessungen auf wie die Aussparung 12.
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Gleichzeitig weist der Strömungsquerschnitt 13 der Aussparung 12 einen geringeren Flächeninhalt auf als der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts 15 der zweiten Gasdiffusionslage 8. Der Strömungsquerschnitt 35 der ersten Gasdiffusionslage 7 entspricht im Wesentlichen dem Strömungsquerschnitt 15 oder dem orthogonal zur Stapelrichtung orientierten Querschnitt der zweiten Gasdiffusionslage 8.
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Die Membranelektrodenanordnung 1 weist außenumfangsseitig einen Randbereich 9 auf. Unter dem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 wird ein die Membranelektrodenanordnung 1 außenumfangsseitig umgebender, sich parallel und zum Teil orthogonal zur Stapelrichtung erstreckender Bereich der Membranelektrodenanordnung 1 verstanden.
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Um trotz der Materialreduzierung einen stabilen Brennstoffzellenaufbau zu ermöglichen, wird die Membranelektrodenanordnung 1 mit der zweiten Gasdiffusionslage 8 lediglich im Randbereich 9 mittels einer Haftschicht 10 verbunden. Darüber hinaus umschließt die Haftschicht 10 die Membranelektrodenanordnung 1 in dem Randbereich 9 lateral, das heißt außenumfangsseitig; vorliegend vollständig. Die Haftschicht 10 weist dabei einen U-förmigen oder C-förmigen Querschnitt auf und ist aus einem ersten Haftschichtabschnitt 16 und einem zweiten Haftschichtabschnitt 17 gebildet. Der erste Haftschichtabschnitt 16 verbindet die Membran 2 in einem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 mit einem nahe der Aussparung 12 vorgesehenen Innenrandbereich 18 des Rahmens 11. Der Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 ist dabei als ein innenumfangsseitig sich zum Teil nach außen erstreckender Teilbereich des Rahmens 11 gebildet. Der zweite Haftschichtabschnitt 17 verbindet die zweite Gasdiffusionslage 8 mit der zweiten Elektrode 5 und der Membran 2 im Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1. Darüber hinaus ist eine zweite Haftschicht 19 vorgesehen, die den Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 mit der ersten Gasdiffusionslage 7 verbindet. Beim Zusammenbau der Brennstoffzellenanordnung verschmelzen die beiden Haftschichtabschnitte 16 und 17 zur gemeinsamen Haftschicht 10.
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Weiterhin ist der anodenseitigen, zweiten Gasdiffusionslage 8 eine zweite Bipolarplatte 29 zur Zuführung des Brennstoffgases zugeordnet, die über ein Brennstoffflussfeld 30 verfügt. Mittels des Brennstoffflussfeldes 30 wird der Brennstoff durch die zweite Gasdiffusionslage 8 hindurch der zweiten Elektrode 5 zugeführt. Kathodenseitig ist der ersten Gasdiffusionslage 7 eine ein Kathodengasflussfeld 28 umfassende erste Bipolarplatte 27 zur Zuführung des Kathodengases an die erste Elektrode 3 zugeordnet.
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Die laterale Erstreckung, d.h. die Erstreckung senkrecht zur Stapelrichtung, der Bipolarplatten 27, 28 ist größer als die der Gasdiffusionslagen 7,8 und entspricht im Wesentlichen der des Rahmens 11. Zwischen einer ersten Rahmenseite 23 des Rahmens 11 und der ersten Bipolarplatte 27 ist eine die erste Gasdiffusionslage 7 umfangsseitig abdichtende erste Dichtungslage 22 angeordnet. Zwischen einer zweiten Rahmenseite 25 des Rahmens und der zweiten Bipolarplatte 28 ist eine zweite Dichtungslage 24 vorgesehen. Die Dichtungslagen 22, 24 sind dabei als komprimierbare Dichtungslippen gebildet, die lateral jeweils mehrfach vorgesehen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lateral jeweils drei Dichtungslippen vorgesehen, die umfangsseitig um die erste Gasdiffusionslage 7 und die zweite Gasdiffusionslage 8 angeordnet sind. Die erste Dichtungslage 22 und die zweite Dichtungslage 24 weisen also jeweils insgesamt sechs der Dichtungslippen auf. Eine andere Anzahl ist möglich. Dabei weisen die Dichtungslippen der ersten Dichtungslage 22 einen größeren Durchmesser auf als die Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage 26.
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Weiterhin sind lateral zur Membranelektrodenanordnung 1 jeweils ein sich in Stapelrichtung durch die erste Bipolarplatte 27, die zweite Bipolarplatte 29 und den Rahmen 11 erstreckender erster Kanal 31 zur Zuführung des Brennstoffes vorgesehen und ein zweiter Kanal 32 zur Zuführung des Kathodengases zum Brennstoffzellenaufbau. Die Kanäle 31, 32 sind dabei derart innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus angeordnet, dass auf der zu den Gasdiffusionslagen 7, 8 zugewandten Seite jeweils zwei Dichtungslippen der ersten Dichtungslage 22 und jeweils zwei Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage 24 innerhalb angeordnet sind und auf der dazu gegenüberliegenden Seite jeweils eine Dichtungslippe der ersten Dichtungslage 22 und eine Dichtungslippe der zweiten Dichtungslage 24 außerhalb angeordnet sind.
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2 zeigt einen weiteren Brennstoffzellenaufbau. Er unterscheidet sich lediglich darin, dass der Flächeninhalt der zweiten mikroporösen Lage 21 geringer ist als derjenige der zweiten Gasdiffusionslage 8, während der Flächeninhalt der ersten Seite 4 und der zweiten Seite 6 der Membran jeweils dem Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche 33 und der zweiten Elektrodenfläche 34 entspricht. Um trotz der Materialreduzierung eine hohe Effizienz der Brennstoffzelle zu erreichen, entspricht der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts oder eine senkrecht bezüglich der Stapelrichtung orientierten Querschnitts der zweiten mikroporösen Lage 21 demjenigen der Aussparung 12. Die randseitigen Abmessungen der zweiten mikroporösen Lage 21 entsprechen somit denen der Aussparung 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membranelektrodenanordnung
- 2
- Membran
- 3
- erste Elektrode
- 4
- erste Seite (Membran)
- 5
- zweite Elektrode
- 6
- zweite Seite (Membran)
- 7
- erste Gasdiffusionslage
- 8
- zweite Gasdiffusionslage
- 9
- Randbereich (Membranelektrodenanordnung)
- 10
- Haftschicht
- 11
- Rahmen
- 12
- Aussparung
- 13
- Strömungsquerschnitt (Aussparung)
- 14
- aktiver Bereich (Membranelektrodenanordnung)
- 15
- Strömungsquerschnitt (zweite Gasdiffusionslage)
- 16
- erster Haftschichtabschnitt
- 17
- zweite Haftschichtabschnitt
- 18
- Innenrandbereich des Rahmens
- 19
- zweite Haftschicht
- 20
- erste mikroporöse Lage
- 21
- zweite mikroporöse Lage
- 22
- erste Dichtungslage
- 23
- erste Rahmenseite
- 24
- zweite Dichtungslage
- 25
- zweite Rahmenseite
- 27
- erste Bipolarplatte
- 28
- Kathodengasflussfeld
- 29
- zweite Bipolarplatte
- 30
- Anodengasflussfeld
- 31
- erster Kanal
- 32
- zweiter Kanal
- 33
- erste Elektrodenfläche
- 34
- zweite Elektrodenfläche
- 35
- Strömungsquerschnitt (erste Gasdiffusionslage)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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