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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Vorrichtung, die Folgendes umfasst:
- mehrere elektrochemische Einheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen,
- mindestens einen Medium-Einlasskanal, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Medium längs einer Haupt-Einströmrichtung durchströmt wird und von welchem das Medium durch jeweils mindestens eine Einlass-Strömungspforte in ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld jeweils einer der elektrochemischen Einheiten gelangt, und mindestens einen Medium-Auslasskanal, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium längs einer Haupt-Ausströmrichtung durchströmt wird und in welchen das Medium aus dem dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfeld durch jeweils mindestens eine Auslass-Strömungspforte gelangt.
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Solche elektrochemischen Vorrichtungen sind insbesondere in Form von Brennstoffzellenvorrichtungen, beispielsweise als Polyelektrolyt-membran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtungen, bekannt.
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Das Medium kann jedes der Betriebsmedien einer solchen elektrochemischen Vorrichtung sein, beispielsweise ein Anodengas, ein Kathodengas oder ein fluides Kühlmittel.
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Mehrere nebeneinander angeordnete Medium-Einlasskanäle und Medium-Auslasskanäle einer solchen elektrochemischen Vorrichtung werden als „Manifold“ bezeichnet.
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Im Betrieb einer solchen elektrochemischen Vorrichtung strömt das Medium aus dem Medium-Einlasskanal längs einer Einlass-Strömungsrichtung in jeweils eine Einlass-Strömungspforte ein, wobei die Einlass-Strömungsrichtung mit der Haupt-Einströmrichtung einen Winkel α von 90° einschließt.
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Ferner strömt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das Medium aus jeder Auslass-Strömungspforte längs einer Auslass-Strömungsrichtung in den Medium-Auslasskanal ein, wobei die jeweilige Auslass-Strömungsrichtung mit der Haupt-Ausströmrichtung einen Winkel β von 90° einschließt.
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Dabei sind die Haupt-Einströmrichtung und die Haupt-Ausströmrichtung im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet.
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Die Einlass-Strömungsrichtung und die Auslass-Strömungsrichtung sind demnach im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet.
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Beim Eintritt in ein Medium-Strömungsfeld einer elektrochemischen Einheit wird somit die Strömungsrichtung des fluiden (gasförmigen oder flüssigen) Mediums (beispielsweise des Anodengases, des Kathodengases oder des fluiden Kühlmittels) von einer senkrecht zu einer Hauptebene einer elektrochemischen Einheit ausgerichteten z-Richtung in eine von einer x-Richtung und einer y-Richtung aufgespannte Ebene umgelenkt, welche parallel zu der Hauptebene der elektrochemischen Einheit ausgerichtet ist. Die x-Richtung und die y-Richtung sind senkrecht zueinander und senkrecht zu der z-Richtung ausgerichtet.
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Beim Austritt aus einer elektrochemischen Einheit wird die Strömungsrichtung des betreffenden Mediums (beispielsweise des Anodengases, des Kathodengases oder des fluiden Kühlmittels) aus der von der x-Richtung und der y-Richtung aufgespannten Ebene in die z-Richtung, welche parallel zu der Stapelrichtung verläuft, umgelenkt.
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Das fluide (gasförmige oder flüssige) Medium wird dabei nicht geführt; vielmehr erfolgt die Umlenkung des fluiden Mediums frei.
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Das aus einer elektrochemischen Einheit in einer senkrecht zur Stapelrichtung (oder z-Richtung) ausgerichteten Strömungsrichtung aus einer elektrochemischen Einheit austretende fluide Medium stellt eine Barriere für die längs der Stapelrichtung verlaufende Haupt-Ausströmung dar. Von dieser Haupt-Ausströmung wird das aus einer elektrochemischen Einheit austretende fluide Medium um einen Winkel β von 90° umgelenkt. Hierbei treten Verwirbelungen auf, durch welche die Haupt-Ausströmung, die längs der Haupt-Ausströmrichtung und somit parallel zu der Stapelrichtung verläuft, über ihren (senkrecht zu der Stapelrichtung genommenen) Querschnitt hinweg inhomogen wird, und es kommt zu Druckverlusten, welche die elektrische Leistung der elektrochemischen Vorrichtung beeinträchtigen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher das Auftreten von Verwirbelungen beim Ausströmen eines Mediums aus einer elektrochemischen Einheit der elektrochemischen Vorrichtung in den Medium-Auslasskanal sowie das Auftreten einer inhomogenen Strömung längs der Haupt-Ausströmrichtung, eine ungleichmäßige Verteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten und/oder Druckverluste, welche die elektrische Leistung der elektrochemischen Vorrichtung beeinträchtigen können, verringert oder ganz vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens einer Auslass-Strömungspforte mindestens ein Auslass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das aus der Auslass-Strömungspforte in den Medium-Auslasskanal gelangende Medium so umlenkt, dass ein Winkel (β), welchen die Auslass-Strömungsrichtung des aus der Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung einschließt, verringert wird.
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Vorzugsweise wird der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung des aus der Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung einschließt, auf einen Wert von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° verringert.
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Um die Umlenkung des aus der Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums zu erzielen, ist es günstig, wenn mindestens eines der Auslass-Strömungsumlenkelemente eine Strömungsumlenkfläche aufweist, die mit der Haupt-Ausströmrichtung einen Winkel (β) von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° einschließt.
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Ferner ist es günstig, wenn mindestens einer Einlass-Strömungspforte mindestens ein Einlass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung einen Teil des den Medium-Einlasskanal durchströmenden Mediums so umlenkt, dass ein Winkel (α), welchen die Einlass-Strömungsrichtung des in die Einlass-Strömungspforte einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung einschließt, verringert wird.
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Um die Umlenkung des in die Einlass-Strömungspforte einströmenden Mediums zu erzielen, ist es günstig, wenn mindestens eines der Einlass-Strömungsumlenkelemente eine Strömungsumlenkfläche aufweist, die mit der Haupt-Einströmrichtung einen Winkel (α) von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° einschließt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Wesentlichen jeder Auslass-Strömungspforte mindestens ein Auslass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist und/oder im Wesentlichen jeder Einlass-Strömungspforte mindestens ein Einlass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist.
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Mindestens eine Oberfläche mindestens eines Auslass-Strömungsumlenkelements und/oder mindestens eine Oberfläche mindestens eines Einlass-Strömungsumlenkelements kann so behandelt werden, dass der Fluss des Mediums längs des Auslass-Strömungsumlenkelements beziehungsweise längs des Einlass-Strömungsumlenkelements optimiert wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens einer Auslass-Strömungspforte mindestens zwei Auslass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind und/oder mindestens einer Einlass-Strömungspforte mindestens zwei Einlass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Wesentlichen jeder Auslass-Strömungspforte jeweils mindestens zwei Auslass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind und/oder im Wesentlichen jeder Einlass-Strömungspforte jeweils mindestens zwei Einlass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind.
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Das Vorstehen der Einlass-Strömungsumlenkelemente und/oder der Auslass-Strömungsumlenkelemente in den Medium-Einlasskanal beziehungsweise in den Medium-Auslasskanal wird als Penetration der jeweiligen Umlenkstruktur in den Medium-Einlasskanal beziehungsweise in den Medium-Auslasskanal bezeichnet.
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Je größer diese Penetration ist, desto kleiner wird der der Hauptströmung des Mediums längs der Haupt-Einströmrichtung beziehungsweise längs der Haupt-Ausströmrichtung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt, was sich negativ auf den Druckverlust des Mediums und auf die Gleichverteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten auswirkt.
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Zur Verringerung von Druckverlusten des Mediums und zur Verbesserung der Gleichverteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten der elektrochemischen Vorrichtung ist es günstig, wenn der für die Strömung des Mediums längs der Haupt-Ausströmrichtung zur Verfügung stehende (senkrecht zur Stapelrichtung oder z-Richtung genommene) Querschnitt des Medium-Auslasskanals durch ein Auslass-Strömungsumlenkelement um weniger als 40 % verringert wird und/oder der für die Strömung des Mediums längs der Haupt-Einströmrichtung zur Verfügung stehende (senkrecht zur Stapelrichtung oder z-Richtung genommene) Querschnitt des Medium-Einlasskanals durch ein Einlass-Strömungsumlenkelement um weniger als 40 % verringert wird.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Auslass-Strömungsumlenkelement und/oder mindestens ein Einlass-Strömungsumlenkelement als ein Bestandteil einer Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind dabei alle Auslass-Strömungsumlenkelemente und/oder alle Einlass-Strömungsumlenkelemente jeweils als ein Bestandteil einer Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit ausgebildet.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Auslass-Strömungsumlenkelement und/oder mindestens ein Einlass-Strömungsumlenkelement jeweils als ein Bestandteil eines Dichtelements jeweils einer elektrochemischen Einheit ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind in diesem Fall alle Auslass-Strömungsumlenkelemente und/oder alle Einlass-Strömungsumlenkelemente jeweils als ein Bestandteil eines Dichtelements jeweils einer elektrochemischen Einheit ausgebildet.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass mindestens ein Auslass-Strömungsumlenkelement und/oder mindestens ein Einlass-Strömungsumlenkelement als eine von den elektrochemisch aktiven Komponenten einer der elektrochemischen Einheiten verschiedene zusätzliche Komponente ausgebildet ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektrochemische Vorrichtung eine Tragestruktur umfasst, welche mehrere Auslass-Strömungsumlenkelemente trägt, und/oder eine Tragestruktur umfasst, welche mehrere Einlass-Strömungsumlenkelemente trägt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die elektrochemische Vorrichtung eine Tragestruktur umfasst, welche alle Auslass-Strömungsumlenkelemente trägt, und/oder eine Tragestruktur umfasst, welche alle Einlass-Strömungsumlenkelemente trägt.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung ist vorzugsweise als eine Brennstoffzellenvorrichtung, beispielsweise als eine Polymerelektrolyt-membran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung, ausgebildet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachstehenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrochemische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, die mehrere elektrochemische Einheiten, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen,
mindestens einen Medium-Einlasskanal, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem Medium längs einer Haupt-Einströmrichtung durchströmt wird und von welchem das Medium durch jeweils mindestens eine Einlass-Strömungspforte in ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld jeweils einer der elektrochemischen Einheiten gelangt, und mindestens einen Medium-Auslasskanal, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von dem Medium längs einer Haupt-Ausströmrichtung durchströmt wird und in welchen das Medium aus dem dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfeld durch jeweils mindestens eine Auslass-Strömungspforte gelangt, umfasst, wobei im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das Medium aus dem Medium-Einlasskanal längs einer Einlass-Strömungsrichtung, welche mit der Haupt-Einströmrichtung einen Winkel α von 90° einschließt, in jeweils eine Einlass-Strömungspforte eintritt und wobei im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das Medium aus jeder Auslass-Strömungspforte längs einer Auslass-Strömungsrichtung, welche mit der Haupt-Ausströmrichtung einen Winkel β von 90° einschließt, in den Medium-Auslasskanal ausströmt;
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher den Auslass-Strömungspforten jeweils zwei Auslass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind, welche derart ausgebildet sind, dass sie im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte in den Medium-Auslasskanal gelangende Medium so umlenken, dass der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung des aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird, und
wobei den Einlass-Strömungspforten jeweils zwei Einlass-Strömungsumlenkelemente zugeordnet sind, welche derart ausgebildet sind, dass sie im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung einen Teil des den Medium-Einlasskanal durchströmenden Mediums so umlenken, dass der Winkel α, welchen die Einlass-Strömungsrichtung des in die jeweilige Einlass-Strömungspforte einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird, wobei die Auslass-Strömungsumlenkelemente und die Einlass-Strömungsumlenkelemente jeweils als ein Bestandteil einer Bipolarplatte einer elektrochemischen Einheit ausgebildet sind;
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung, bei welcher den Auslass-Strömungspforten jeweils ein Auslass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte in den Medium-Auslasskanal gelangende Medium so umlenkt, dass der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung des aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird, und
wobei den Einlass-Strömungspforten jeweils ein Einlass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung einen Teil des den Medium-Einlasskanal durchströmenden Mediums so umlenkt, dass der Winkel α, welchen die Einlass-Strömungsrichtung des in die jeweilige Einlass-Strömungspforte einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird,
wobei die Auslass-Strömungsumlenkelemente und die Einlass-Strömungsumlenkelemente jeweils als ein Bestandteil eines Dichtelements einer elektrochemischen Einheit ausgebildet sind; und
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung, wobei den Auslass-Strömungspforten jeweils ein Auslass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung das aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte in den Medium-Auslasskanal gelangende Medium so umlenkt, dass der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung des aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird, und
wobei den Einlass-Strömungspforten jeweils ein Einlass-Strömungsumlenkelement zugeordnet ist, welches derart ausgebildet ist, dass es im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung einen Teil des den Medium-Einlasskanal durchströmenden Mediums so umlenkt, dass der Winkel α, welchen die Einlass-Strömungsrichtung des in die jeweilige Einlass-Strömungspforte einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird,
wobei die Auslass-Strömungsumlenkelemente und die Einlass-Strömungsumlenkelemente jeweils als eine von den elektrochemisch aktiven Komponenten einer elektrochemischen Einheit verschiedene zusätzliche Komponente ausgebildet sind und wobei die elektrochemische Vorrichtung eine Tragestruktur
umfasst, welche die Auslass-Strömungsumlenkelemente trägt, und eine Tragestruktur umfasst, welche die Einlass-Strömungsumlenkelemente trägt.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in 1 schematisch dargestellte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten elektrochemischen Vorrichtung, beispielsweise einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung, umfasst mehrere elektrochemische Einheiten 102, welche längs einer Stapelrichtung 104 aufeinander folgen, mindestens einen Medium-Einlasskanal 106, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung von einem (vorzugsweise gasförmigen oder flüssigen) Medium (beispielsweise einem Anodengas, einem Kathodengas oder einem flüssigen Kühlmittel) längs einer Haupt-Einströmrichtung 108 durchströmt wird und von welchem das Medium durch jeweils mindestens eine Einlass-Strömungspforte 110 in ein dem Medium zugeordnetes Medium-Strömungsfeld jeweils einer der elektrochemischen Einheiten 102 gelangt, und mindestens einen Medium-Auslasskanal 112, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 von dem (vorzugsweise gasförmigen oder flüssigen) Medium (beispielsweise einem Anodengas, einem Kathodengas oder einem flüssigen Kühlmittel) längs einer Haupt-Ausströmrichtung 114 durchströmt wird und in welchen das Medium aus dem dem Medium zugeordneten Medium-Strömungsfeld durch jeweils mindestens eine Auslass-Strömungspforte 116 gelangt.
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Vorzugsweise ist jede Einlass-Strömungspforte 110 und jede Auslass-Strömungspforte 116 zwischen einer ersten Bipolarplattenlage 118 und einer zweiten Bipolarplattenlage 120 einer als Ganzes mit 122 bezeichneten Bipolarplatte der jeweiligen elektrochemischen Einheit 102 ausgebildet.
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An jeder der Bipolarplatten 122 ist jeweils ein Anodengas-Strömungsfeld und ein Kathodengas-Strömungsfeld ausgebildet, und zwischen den Bipolarplattenlagen 118 und 120 jeder Bipolarplatte 122 ist jeweils ein Kühlmittel-Strömungsfeld ausgebildet, wobei diese Strömungsfelder in 1 im Bereich zwischen den Einlass-Strömungspforten 110 und den Auslass-Strömungspforten 116 angeordnet sind, in 1 aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gesondert dargestellt sind.
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Ferner umfasst die elektrochemische Vorrichtung 100 zwei Endplatten 124, zwischen denen die elektrochemischen Einheiten 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 mittels einer (nicht dargestellten) Spannvorrichtung mechanisch eingespannt sind.
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Außerdem umfasst jede der elektrochemischen Einheiten 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils eine Dichtungsanordnung mit mindestens einem Dichtelement 126, welches zwischen den Bipolarplatten 122 zweier in der Stapelrichtung 104 aufeinander folgender elektrochemischer Einheiten 102 oder zwischen der Bipolarplatte 122 einer elektrochemischen Einheit 102 und einer der Endplatten 124 fluiddicht abdichtet.
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Die mindestens ein Dichtelement 126 umfassende Dichtungsanordnung jeder elektrochemischer Einheit 102 dient ferner dazu, die Medium-Strömungsfelder fluiddicht gegenüber dem mindestens einen Medium-Einlasskanal 106 und dem mindestens einen Medium-Auslasskanal 112 sowie gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung 100 abzudichten, und den mindestens einen Medium-Einlasskanal 106 und den mindestens einen Medium-Auslasskanal 112 fluiddicht gegeneinander sowie gegenüber der Umgebung der elektrochemischen Vorrichtung 100 abzudichten.
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Im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 strömt das Medium (beispielsweise ein Anodengas, ein Kathodengas oder ein Kühlmittel) aus dem Medium-Einlasskanal 106 längs einer Einlass-Strömungsrichtung 128 in jeweils eine Einlass-Strömungspforte 110 ein, wobei die Einlass-Strömungsrichtung 128 mit der Haupt-Einströmrichtung 108 einen Winkel α von 90° einschließt.
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Ferner strömt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 das Medium (beispielsweise das Anodengas, das Kathodengas oder das Kühlmittel) aus jeder Auslass-Strömungspforte 116 längs einer Auslass-Strömungsrichtung 130 in den Medium-Auslasskanal 112 ein, wobei die jeweilige Auslass-Strömungsrichtung 130 mit der Haupt-Ausströmrichtung 114 einen Winkel β von 90° einschließt.
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Wie aus 1 zu ersehen ist, sind die Haupt-Einströmrichtung 108 und die Haupt-Ausströmrichtung 114 im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtet.
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Wie ebenfalls aus 1 zu ersehen ist, sind die Einlass-Strömungsrichtung 128 und die Auslass-Strömungsrichtung 130 bei dieser Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtet.
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Beim Eintritt in ein Medium-Strömungsfeld einer elektrochemischen Einheit 102 wird somit die Strömungsrichtung des fluiden Mediums (beispielsweise des Anodengases, des Kathodengases oder des Kühlmittels) von einer senkrecht zu einer Hauptebene der elektrochemischen Einheit 102 ausgerichteten z-Richtung in eine von einer x-Richtung und einer y-Richtung aufgespannte Ebene umgelenkt, welche parallel zu der Hauptebene der elektrochemischen Einheit 102 ausgerichtet ist. Die x-Richtung und die y-Richtung sind senkrecht zueinander und senkrecht zu der z-Richtung ausgerichtet.
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Beim Austritt aus einer elektrochemischen Einheit 102 wird die Strömungsrichtung des betreffenden Mediums (beispielsweise des Anodengases, des Kathodengases oder des Kühlmittels) aus der von der x-Richtung und der y-Richtung aufgespannten Ebene in die z-Richtung, welche parallel zu der Stapelrichtung 104 verläuft, umgelenkt.
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Das fluide (gasförmige oder flüssige) Medium wird dabei nicht geführt; vielmehr erfolgt die Umlenkung des (fluiden) Mediums frei.
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Beim Austritt aus einer elektrochemischen Einheit 102 in einer senkrecht zur Stapelrichtung (oder z-Richtung) ausgerichteten Richtung stellt das austretende fluide Medium eine Barriere für die längs der Stapelrichtung 104 verlaufende Haupt-Ausströmung dar. Von dieser Haupt-Ausströmung wird das aus einer elektrochemischen Einheit 102 austretende fluide Medium um einen Winkel β von 90° umgelenkt. Hierbei treten Verwirbelungen auf, durch welche die Haupt-Ausströmung, die längs der Haupt-Ausströmrichtung 114 und somit parallel zu der Stapelrichtung 104 verläuft, über den (senkrecht zu der Stapelrichtung 104 genommenen) Querschnitt des Medium-Auslasskanals 112 hinweg inhomogen wird, und es kommt zu Druckverlusten, welche die elektrische Leistung der elektrochemischen Vorrichtung 100 beeinträchtigen können.
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Bei der in 2 schematisch dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung 100 ist daher vorgesehen, dass den Auslass-Strömungspforten jeweils mindestens zwei Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 zugeordnet sind, welche derart ausgebildet sind, dass sie im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 das aus der jeweiligen Auslass-Strömungspforte 116 in den Medium-Auslasskanal 112 gelangende Medium so umlenken, dass der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung 130 des aus der Auslass-Strömungspforte 116 austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung 114 einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird.
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Vorzugsweise wird der Winkel β, welchen die Auslass-Strömungsrichtung 130 des aus der Auslass-Strömungspforte 116 austretenden Mediums mit der Haupt-Ausströmrichtung 114 einschließt, auf einen Wert von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° verringert.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, weist jedes der Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 eine Strömungsumlenkfläche 134 auf, die mit der Haupt-Ausströmrichtung 114 den gewünschten Winkel β, vorzugsweise einen Winkel β von mehr als 10° und/oder von weniger als 80°, einschließt.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, sind bei dieser Ausführungsform jeder Auslass-Strömungspforte 116 jeweils zwei Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 zugeordnet, wobei vorzugsweise ein erstes Auslass-Strömungsumlenkelement 132a als ein Bestandteil der ersten Bipolarplattenlage 118 und ein zweites Auslass-Strömungsumlenkelement 132b als Bestandteil der zweiten Bipolarplattenlage 120 ausgebildet ist.
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Dabei ist eine an dem ersten Auslass-Strömungsumlenkelement 132a angeordnete erste Strömungsumlenkfläche 134a einer an dem zweiten Auslass-Strömungsumlenkelement 132b angeordneten zweiten Strömungsumlenkfläche 134b zugewandt, und beide Auslass-Strömungsumlenkelemente 132a und 132b bilden zwischen sich einen Austrittskanal für das Medium aus. Durch diesen Austrittskanal strömt das Medium unter dem gegenüber dem Wert von 90° verringerten Winkel β zu der Haupt-Ausströmrichtung 114 geneigt in den Medium-Auslasskanal 112 ein.
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Ferner sind bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 auch den Einlass-Strömungspforten 110 jeweils mindestens zwei Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 zugeordnet, welche derart ausgebildet sind, dass sie im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeweils einen Teil des den Medium-Einlasskanal 106 durchströmenden Mediums so umlenken, dass der Winkel α, welchen die Einlass-Strömungsrichtung 128 des in die jeweils zugeordnete Einlass-Strömungspforte 110 einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung 108 einschließt, auf einen Wert von weniger als 90° verringert wird.
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Vorzugsweise lenken die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 das Medium so um, dass der Winkel α, welchen die Einlass-Strömungsrichtung 128 des in die jeweils zugeordnete Einlass-Strömungspforte 110 einströmenden Mediums mit der Haupt-Einströmrichtung 108 einschließt, auf einen Wert von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° verringert wird.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 ist jeder Einlass-Strömungspforte 110 jeweils ein erstes Einlass-Strömungsumlenkelement 136a, das an der ersten Bipolarplattenlage 118 ausgebildet ist, und ein zweites Einlass-Strömungsumlenkelement 136b, das an der zweiten Bipolarplattenlage 120 ausgebildet ist, zugeordnet. Dabei bilden das erste Einlass-Strömungsumlenkelement 136a und das zweite Einlass-Strömungsumlenkelement 136b zwischen sich jeweils einen Einlasskanal aus, durch welchen das Medium aus dem Medium-Einlasskanal 106 unter dem gewünschten Winkel α in die jeweilige Einlass-Strömungspforte 110 einströmt.
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Eine an dem ersten Einlass-Strömungsumlenkelement 136a angeordnete erste Strömungsumlenkfläche 138a ist einer an dem zweiten Einlass-Strömungsumlenkelement 136b angeordneten zweiten Strömungsumlenkfläche 138b zugewandt, wobei die erste Strömungsumlenkfläche 138a und die zweite Strömungsumlenkfläche 138b den Einlasskanal für das Medium begrenzen.
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Vorzugsweise schließt die erste Strömungsumlenkfläche 138a und/oder die zweite Strömungsumlenkfläche 138b mit der Haupt-Einströmrichtung 108 jeweils einen Winkel α von mehr als 10° und/oder von weniger als 80° ein.
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Wie aus 2 zu ersehen ist, sind bei dieser Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 jeder Einlass-Strömungspforte 110 zwei Einlass-Strömungsumlenkelemente 136a und 136b zugeordnet.
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Die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 dienen als Leitbleche, welche das Medium aus dem Medium-Einlasskanal 106 beim Eintritt in jeweils eine der elektrochemischen Einheiten 102 beziehungsweise beim Austritt aus einer elektrochemischen Einheit 102 führen und dabei umlenken.
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Die durch die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 erzielte Anpassung der Strömungsrichtung des Mediums bewirkt eine Reduzierung des Druckverlusts, indem einerseits Verwirbelungen in der Strömung des Mediums reduziert werden und andererseits auch die maximalen im Medium-Einlasskanal 106 oder im Medium-Auslasskanal 112 auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums durch eine Homogenisierung der Strömung des Mediums innerhalb des Medium-Einlasskanals 106 beziehungsweise innerhalb des Medium-Auslasskanals 112 reduziert werden.
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Unter einer „Homogenisierung“ ist hierbei eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung des Mediums innerhalb des Querschnitts des Medium-Einlasskanals 106 beziehungsweise des Medium-Auslasskanals 112 zu verstehen, wodurch die Unterschiede zwischen den in der Medium-Strömung auftretenden minimalen Strömungsgeschwindigkeiten und den in der Medium-Strömung auftretenden maximalen Strömungsgeschwindigkeiten reduziert werden.
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Ferner beeinflusst die Umlenkung des Mediums durch die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100. Für die Verteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102 sind nämlich die Differenzdrücke zwischen den verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102 maßgeblich. Je geringer diese Druckdifferenzen sind, desto gleichmäßiger wird das Medium auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102 aufgeteilt.
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Die optimalen Winkel α und β, welche die Strömungsrichtung der Mediumströmung mit der Haupt-Einströmrichtung 108 beziehungsweise mit der Haupt-Ausströmrichtung 114 einschließt, kann von der Anzahl der elektrochemischen Einheiten 102, von der Geometrie des Medium-Einlasskanals 106 und/oder des Medium-Auslasskanals 112, von den Eigenschaften des Mediums und von den im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums abhängen.
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Wie bereits erwähnt, liegen bevorzugte Winkel α und β jeweils im Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 80°.
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Kleinere Winkel führen zu einer Strömungskonzentration im Bereich der Einlass-Strömungspforte 110 oder der Auslass-Strömungspforte 116.
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Größere Winkel als 80° haben nur einen sehr geringen oder gar keinen Einfluss auf den Druckverlust des Mediums und/oder auf die Verteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist auch, wie weit die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und/oder die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 in den Medium-Einlasskanal 106 beziehungsweise in den Medium-Auslasskanal 112 vorstehen. Dies wird als Penetration der jeweiligen Umlenkstruktur in den Medium-Einlasskanal 106 beziehungsweise in den Medium-Auslasskanal 112 bezeichnet.
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Je größer diese Penetration ist, desto kleiner wird der der Hauptströmung des Mediums längs der Haupt-Einströmrichtung 108 beziehungsweise längs der Haupt-Ausströmrichtung 114 zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt, was sich negativ auf den Druckverlust des Mediums und auf die Gleichverteilung des Mediums auf die verschiedenen elektrochemischen Einheiten 102 auswirkt.
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Auch das optimale Ausmaß der Penetration der Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und/oder der Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 in den Medium-Einlasskanal 106 beziehungsweise in den Medium-Auslasskanal 112 kann unter anderem von der Anzahl der elektrochemischen Einheiten 102, von der Geometrie des Medium-Einlasskanals 106 beziehungsweise des Medium-Auslasskanals 112, von Eigenschaften des Mediums und von den im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 in dem Medium auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten abhängen.
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Generell gilt jedoch, dass die Reduzierung des der Hauptströmung des Mediums in der Haupt-Einströmrichtung 108 beziehungsweise in der Haupt-Ausströmrichtung 114 zur Verfügung stehenden (senkrecht zur Stapelrichtung 104 genommenen) Strömungsquerschnitts 40 % nicht überschreiten sollte.
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Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 3 schematisch dargestellte zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dadurch, dass die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 bei dieser zweiten Ausführungsform nicht als Bestandteil einer Bipolarplatte 122 ausgebildet sind, sondern jeweils als ein Bestandteil eines Dichtelements 126 einer elektrochemischen Einheit 102.
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Ferner ist bei dieser zweiten Ausführungsform jeder Einlass-Strömungspforte 110 jeweils nur ein Einlass-Strömungsumlenkelement 136 und jeder Auslass-Strömungspforte 116 nur jeweils ein Auslass-Strömungsumlenkelement 132 zugeordnet.
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Bei dieser Ausführungsform sind somit die unter dem Winkel α zur Haupt-Einströmrichtung 108 verlaufenden Einlasskanäle zwischen den Einlass-Strömungsumlenkelementen 136 von zwei längs der Stapelrichtung 104 aufeinander folgenden elektrochemischen Einheiten 102 ausgebildet.
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Ferner sind bei dieser Ausführungsform die unter dem Winkel β zur Haupt-Ausströmrichtung 114 verlaufenden Auslasskanäle zwischen den Auslass-Strömungsumlenkelementen 132 von jeweils zwei längs der Stapelrichtung 104 aufeinander folgenden elektrochemischen Einheiten 102 ausgebildet.
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Die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und/oder die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 sind bei dieser Ausführungsform vorzugsweise aus einem Elastomermaterial gebildet.
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Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 2 dargestellten ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Bei einer Variante der in den 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung könnte auch vorgesehen sein, dass die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und/oder die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 jeweils als ein Bestandteil einer Membran-Elektroden-Anordnung oder einer Diffusionslage einer elektrochemischen Einheit 102 ausgebildet sind oder an einem Element einer Membran-Elektroden-Anordnung oder einer Gasdiffusionslage einer elektrochemischen Einheit 102 festgelegt sind.
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Eine in 4 schematisch dargestellte dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform dadurch, dass die elektrochemische Vorrichtung 100 in dem mindestens einen Medium-Einlasskanal 106 und in dem mindestens einen Medium-Auslasskanal 112 jeweils eine Tragestruktur 140 umfasst.
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Jede der Tragestrukturen 140 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 104 der elektrochemischen Vorrichtung 100.
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Die im Medium-Einlasskanal 106 angeordnete erste Tragestruktur 140a trägt für jede Einlass-Strömungspforte 110 jeweils ein der jeweiligen Einlass-Strömungspforte 110 zugeordnetes Einlass-Strömungsumlenkelement 136.
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Die im Medium-Auslasskanal 112 angeordnete zweite Tragestruktur 140b trägt für jede Auslass-Strömungspforte 116 jeweils ein der jeweiligen Auslass-Strömungspforte 116 zugeordnetes Auslass-Strömungsumlenkelement 132.
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Die Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 und die Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 sind bei dieser Ausführungsform somit als von den elektrochemisch aktiven Komponenten der elektrochemisch aktiven Einheiten 102 verschiedene zusätzliche Komponenten ausgebildet.
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Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die erste Tragestruktur 140a für jede Einlass-Strömungspforte 110 jeweils zwei der jeweiligen Einlass-Strömungspforte 110 zugeordnete Einlass-Strömungsumlenkelemente 136 trägt.
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Ferner kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass die zweite Tragestruktur 140b für jede Auslass-Strömungspforte 116 jeweils zwei der jeweiligen Auslass-Strömungspforte 116 zugeordnete Auslass-Strömungsumlenkelemente 132 trägt.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.