CN108346810B - 燃料电池微型密封件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于金属压条密封接头的微型密封件包括大致水平表面、设置在大致水平表面的相对端上的大致垂直的第一和第二表面,以及可操作地配置成粘附到金属压条的一部分的成型表面。成型表面可以与大致水平表面相对设置,并且可以与第一和第二大致垂直表面成一体。大致水平表面可以可操作地配置成在压缩状态和非压缩状态下大致保持其水平表面取向。

Description

燃料电池微型密封件及其制造方法
技术领域
本公开涉及燃料电池微型密封件,并且特别地,涉及防止整体形成为燃料电池板的金属压条弯曲的燃料电池微型密封件。
背景技术
燃料电池在许多应用中用作电源。特别地,提出了将燃料电池用于汽车中以取代内燃机。常用的燃料电池设计使用固体聚合物电解质(SPE)膜或质子交换膜(PEM),以提供阳极和阴极之间的离子传输。
燃料电池通常是电化学装置,其在催化剂存在下将燃料(氢气、甲醇等)和氧化剂(空气或纯氧)的化学能转换成电、热和水。燃料电池在整个燃料的电化学转化过程中产生清洁的能量。因此,由于排放量为零或很低,燃料电池是环保的。而且,燃料电池是高功率系统,以远远高于传统内燃机的效率,产生几瓦到几百千瓦的功率。燃料电池产生的噪音低,因为它们的活动部件很少。
在质子交换膜燃料电池中,氢作为燃料供给阳极,氧作为氧化剂供给阴极。氧气可以是纯氧(O2)或空气(O2和N2的混合物)。PEM燃料电池通常具有一种膜电极组件(MEA),其中固体聚合物膜在一个面上具有阳极催化剂并且在相对面上具有阴极催化剂。通常的PEM燃料电池的阳极和阴极层由诸如编织石墨、石墨化片材或碳纸的多孔导电材料形成,以使燃料能够分散在面向燃料供应电极的膜的表面上。每个电极具有负载在碳颗粒上的精细分隔的催化剂颗粒(例如铂颗粒),以促进阳极处的氢的氧化和阴极处的氧的还原。质子从阳极通过离子导电聚合物膜流到阴极,并在阴极与氧结合形成水,从电池排出。MEA夹在一对多孔气体扩散层(“GDL”)之间,而多孔气体扩散层又夹在一对无孔的导电元件或板(即流场板)之间。这些板用作阳极和阴极的集电器,并且包含形成在其中的适当的通道和开口,用于将燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上。为了有效地发电,PEM燃料电池的聚合物电解质膜必须厚度薄、化学稳定、质子可穿透、不导电且不透气。在通常的应用中,单个燃料电池串联堆叠以提供所需的电力水平。
常规电化学电池的实施例还包括用于反应物分流、电流收集、压缩和冷却(或加热)的硬件部件,例如板。双极板提供多种功能:(a)在阳极或阴极分布反应物流,(b)从工作中的阳极/阴极表面收集电流,以及(c)防止阳极反应物和阴极反应物在单个电池中混合或交叉。两个或多个这些单个电池的组合称为堆叠。冷却板(通常与双极板成一体)主要将冷却剂流分布到堆叠中。通常基于系统功率要求来选择燃料电池堆叠中的单个电池的数量和尺寸。为了方便地组装和/或拆卸具有大电压或大功率输出的燃料电池堆叠,多个子堆叠或模块可以组合以形成堆叠。如本领域普通技术人员所充分理解的那样,这些模块表示一定数量的单个电池的堆叠,该单个电池的一定数量少于最终形成完成体堆叠的电池数量。当堆叠形成PEM燃料电池时,通常将堆叠称为PEM堆叠。
在传统的PEM堆叠组件中,为了有效地分离阳极和阴极反应物流并防止其泄漏和混合,而将硬件部件和有源电池密封,是直接影响堆叠性能和可靠性的关键技术问题。除了密封系统设计和可制造性设计外,这些因素还会直接影响整个PEM燃料电池系统的成本。
通常通过压缩或粘合密封来防止反应物和冷却剂在不同电池和单个电池的多个元件之间的泄漏或交叉混合,该压缩或粘合密封件在一些情况下使用弹性体和/或粘合剂材料。例如,在美国专利No.6080503中,电活性区域周围的膜电极组件(MEA)表面与支撑板粘合在一起。该粘合由包封MEA的边缘部分的粘合剂形成。在另一示例中,在美国专利No.5176966中,通过用围绕MEA的流体流动开口和电活性部分的密封材料(硅橡胶)浸渍电极的背衬层(气体扩散层或GDL)来形成密封。或者,将密封剂材料沉积到形成在MEA电极外表面上的凹槽中;该凹槽围绕MEA的流体流动开口和电活性部分。
无论是压缩还是粘合,通常将相关材料放置、装配、成型或施加到待密封的表面上。这些工艺劳动密集、成本高,不利于大批量生产。这些工艺的可变性也可能影响密封件的可靠性/耐用性,导致制造产量低。另外,对于高温堆叠组件,由于高度浓缩的酸性环境和/或高操作温度(例如120℃至250℃),这些密封工艺和/或材料会产生兼容性和/或耐久性问题。
在基于序列号为No.09/908359的美国专利申请的世界公开WO02/43173中已经描述了基于粘合剂密封剂的PEM堆叠组件工艺,其包括生产树脂粘合(封装)的PEM堆叠的密封剂应用的三个步骤。这三个步骤是:(1)用流场结构密封每个流体流动板上的未使用的歧管开口/端口(例如在阴极流场表面上,用于燃料和冷却剂流动的端口围绕其周边被密封,以防止这些输入流混合);(2)密封MEA内的所有端口以防止MEA层内的反应物泄漏;以及(3)密封堆叠组件中的所需密封表面的其余部分。密封表面的其余部分的密封包括将所有预密封部件分层在模具或夹具内、在周边引入可固化树脂(密封剂),并使用真空传递模塑或注塑技术将树脂压入堆叠组件(盒子)中。一旦固化,树脂在整个组件上提供结构支撑和边缘密封。得到的燃料电池盒/堆叠体被保持在具有歧管和压缩装置的压缩板之间。
在美国专利No.7,306,864中描述了三步PEM堆叠/盒式组件工艺的进一步发展,其可以方便地用于使用单步注塑成型生产大容量堆叠。在这种方法中,将包括支撑板、用于堆叠冷却、压缩和集电的板和MEA的所有堆叠组件适当地层叠并放置在模具中。密封剂材料(双组份硅或其他粘性树脂)受迫进入错综复杂的开口(使用压力或真空),同时堆叠组件保持在最佳压力下,以使每个电接触表面之间的电阻最小。当粘性密封剂材料填充包括堆叠组件周围空间的所有期望的密封空间(包括MEA边缘)时,将模具置于低温烘箱中以固化树脂。然后将封装的堆叠从模具中取出。
参考图1A,微型密封件材料124通过筛网122转移至金属压条120。
传统微型密封件114的最终形状由金属压条形状(重力)、模板设计、油墨粘度和表面能量控制。如图1B所示,不幸的是,当金属压条弯曲时,不能保证密封接触,特别是在金属压条116弯曲的中心区域。如图1C所示,不能保持密封接触减小了防止中心轴线117未对准的坚固性。给定一组包括金属厚度规格的金属性质和金属压条几何形状,通过单独改变金属形式,可能无法充分改善金属压条的弯曲负载。
因此,需要一种新的燃料电池微型设计,其可以提高密封接触宽度并增加防止的稳健性,这进一步降低了在燃料电池中发生泄漏的风险。
发明内容
本公开提供了根据各种实施例的用于金属压条密封接头的微型密封件。微型密封件的第一实施例可以包括大致水平表面、设置在大致水平表面的相对端上的第一和第二大致垂直表面,和成型表面。成型表面可以与大致水平表面相对设置,并且可以与第一和第二大致垂直表面成一体。大致水平表面可以可操作地设置成在压缩状态和未压缩状态下大致保持其大致水平表面取向。
一种用于燃料电池板的金属压条密封接头,该金属压条密封接头包括具有第一微型密封件的第一金属压条和具有第二微型密封件的第二金属压条。具有第二微型密封件的第二金属压条可以抵靠第一微型密封件和第一金属压条的至少一部分而被压缩。第一和第二微型密封件中的每一个都包括粘附到每个相关联的金属压条的成型表面以及与成型表面相对设置的大致水平表面。每个微型密封件(或第一和第二微型密封件)的成型表面和大致水平表面限定了可以沿着微型密封件的宽度变化的微型密封件厚度。
根据参照附图考虑的下文具体实施方式,本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。
附图说明
从下文具体实施方式、最佳方式、权利要求和附图中,本公开的这些和其他特征和优点将变得显而易见,其中:
图1A是用于金属压条密封件的传统微型密封件的示意性截面图,其中通过镂刻工艺将密封件施加到压条上。
图1B是当压条和密封件处于压缩状态时的图1A的传统微型密封件的示意性横截面图。
图1C是当压条和密封件未对准而不处于压缩状态时具有传统微型密封件的传统金属压条密封接头的示意性横截面图。
图2A是根据本发明的微型密封件的第一实施例的示意性横截面图,其中金属压条和微型密封件未处于压缩状态。
图2B是图2A中的微型密封件的第一实施例的示意性横截面图,其中金属压条和微型密封件被压缩。
图3A是根据本公开的第一实施例的制造方法的微型密封件的示意性横截面图,其中微型密封件材料被应用于金属压条。
图3B是根据本公开的第一实施例的制造方法的微型密封件的示意性横截面图,其中负载被均匀地施加到微型密封件上以形成大致水平表面。
图4A是根据本公开的第二实施例的制造方法的微型密封件的示意性横截面图,其中在第一次和第二次施加中将微型密封件材料应用于金属压条。
图4B是根据本公开的第二实施例的制造方法的微型密封件的示意性横截面图,其中在微型密封件材料中形成大致水平表面。
图5是具有根据本公开的各种实施例的微型密封件的传统金属压条密封接头的示意性横截面图,其中压条和密封件未处于压缩和未对准状态。
图6是示出制造本公开的第一实施例的微型密封件的示例性且非限制性方法的示例性工艺流程图。
图7是示出制造本公开的第二实施例的微型密封件的示例性和非限制性方法的示例性工艺流程图。
贯穿针对附图的几个视图的描述,相似的附图标记指代相似的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明当前优选的组合物、实施方式和方法,其构成了本发明人当前已知的实践本公开的最佳模式。附图不一定按比例绘制。然而,应该理解的是,所公开的实施例仅仅是本公开的示例,其可以以各种替代形式来体现。因此,本文公开的具体细节不应被解释为限制性的,而仅仅是作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。
除了在实施例中或者在其他方面明确指出的情况之外,本说明书中表示材料的量或反应条件和/或用途的所有数字数量在描述本公开的最宽范围时应被理解为由词语“大约”修饰。在所述的数值范围内的实施通常是优选的。另外,除非明确做出了相反的说明:百分比、“份数”和比值按重量计;对于与本公开有关的给定目的,与其相适合或优选的一组或一类材料,对其所作的描述意味着该组或该类的任何两个或更多成员的混合物同样适合或优选;首字母缩略词或其他缩写的第一个定义适用于本文所有相同缩写的后续使用,并将必要的变通应用于最初定义的缩写的正常语法变体;并且,除非明确做出了相反的说明,否则对某一属性的测量是通过与之前或之后针对同一属性参考的相同技术来确定的。
还应该理解的是,本公开不限于下文描述的具体实施例和方法,因为具体的部件和/或条件当然可以变化。此外,本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的,而不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意的是,如说明书和所附权利要求书中所使用的,除非上下文另有明确指示,否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物。例如,以单数形式引用部件旨在包括多个部件。
术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“其特征在于”是同义的。这些术语是包含性和开放式的,不排除其他未列举的元件或方法步骤。
短语“由……组成”排除权利要求中未指定的任何元件、步骤或成分。当这个短语出现在某条权利要求的主体的一句从句中,而不是紧接着前序部分之后,它只限制该从句中规定的元件;其他元件并不整个排除在该权利要求之外。
术语“包括”、“由……组成”和“大致由……组成”可以替代地使用。在使用这三个术语中的一个的情况下,当前公开和要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任一个。
在本申请全文中,在参考了出版物的情况下,这些出版物的公开内容以引用的方式整体并入本申请中,以更充分地描述本公开所属领域的现状。
以下详细描述本质上仅是示例性的,并不意图限制本公开或本公开的应用和用途。此外,不旨在受到在前文的背景技术或下文的具体实施方式中提出的任何理论的限制。
参照图2A、图4B和图5,本公开提供了改进的微型密封件14,其更好地保持燃料电池板中的金属压条之间的接合。如图所示,微型密封件14包括大致水平表面22、第一和大致垂直表面以及成型表面32。第一大致垂直表面18可以设置在大致水平表面22的第一端36处。第二大致垂直表面20可以设置在大致水平表面22的第二端38处。如上述图中所示,成型表面32可以与大致水平表面22相对设置。成型表面32与第一大致垂直表面18、第二大致垂直表面20成一体,并且设置在第一大致垂直表面18、第二大致垂直表面20之间,如横截面图中所示。当金属压条16如图2B所示在负载19下被压缩时,成型表面32可操作地配置成粘附到金属压条16的一部分上。
参照图2A,示出了处于未压缩状态的根据本公开的各种实施例的微型密封件14。该微型密封件材料可以由任何数量的弹性体材料形成,包括但不限于EPDM、HNBR、NBR、VMQ、FVMQ和FKM,因此,当施加负载时,微型密封件14通常会压缩。图2B示出了在压缩负载下或处于压缩状态下的微型密封件14。如图2A和2B所示,大致水平表面22可操作地配置成在受到垂直负载时保持大致平坦的表面取向——在压缩状态和未压缩状态下都是。如图2A和2B所示,当施加负载19时,微型密封件14的成型表面32的整个表面区域可操作地配置成与改进的微型密封件14一起弯曲。
用于本公开的全部微型密封件14的成型表面32和大致水平表面22限定了微型密封件厚度28、28’。微型密封件厚度28是未压缩状态下的厚度,而微型密封件厚度28’是压缩状态下的厚度。如图2A所示,在未压缩状态下,边缘区域26处的微型密封件厚度28大于中心区域30处的微型密封件厚度28。边缘区域26可以定义为靠近第一和第二大致垂直表面中的每一个的微型密封件14的区域,且中心区域30可以设置在针对第一大致垂直表面18的边缘区域26和针对第二大致垂直表面20的边缘区域26之间。如图2A和图5所示,当微型密封件最初设置在金属压条16上时,微型密封件厚度28沿着大致水平表面22的宽度而变化。第一和第二大致垂直的壁(边缘区域26)中的每一个处或其附近的微型密封件度28大于微型密封件的中心区域30中的微型密封件厚度28。然而,如图2A所示,在第一实施例设计中,微型密封件14是可以固定到金属压条16上的模制零件。
现在参考图5,示出了用于燃料电池板的金属压条密封接头40,其中实施了图2A和2B的微型密封件14。如图所示,第一金属压条16具有粘附到第一金属压条16的至少一部分上的第一微型密封件14。还示出了具有第二微型密封件14的第二金属压条16’,其中第二微型密封件14’粘附到第二金属压条16’的至少一部分上。第二金属压条16’和第二微型密封件14’可以相对于第一微型密封件14和第一金属压条16的至少一部分被压缩。
在图5的金属压条密封接头40中使用的微型密封件14、14’类似地每个都包括大致水平表面22、大致垂直的第一和第二表面18、20以及成型表面32。第一大致垂直表面18可以设置在大致水平表面22的第一端36处,并且第二大致垂直表面20可以设置在大致水平表面22的第二端38处。如图所示,成型表面32可以在第一和第二大致垂直表面18、20的相对端42处与大致水平表面22相对设置。成型表面32可以与第一和第二大致垂直表面18、20成一体。
参照图5,据所显示的,图2A的微型密封件14位于金属压条密封接头40中,第一大致水平表面22中的每一个均可操作地配置成在压缩状态(图2B和图5中示出)以及非压缩状态(图2A中示出)下保持大致平坦的取向。因此,即使金属压条16、16’的中心轴线17,17’未如图5所示完全对准,金属压条密封接头40在压缩期间也保持每个金属压条16、16’之间的接触。如图所示,第一和第二大致垂直表面18、20和成型表面32中的每一个都可操作地配置成具有一种表面取向,该表面取向在大致水平表面22保持其取向的同时,在压缩状态与非压缩状态之间可以或者可以不改变。应当理解的是,假如每个成型表面32(针对第一和第二微型密封件14、14’)可操作地配置成与第一和第二金属压条16、16’中的一个的至少一部分44粘附并弯曲,第一和第二大致垂直表面18、20和成型表面32的取向可以改变。因此,当第一和第二金属压条16、16’在压缩下弯曲时,每个成型表面32都可操作地配置成弯曲。如图2B所示,当成型表面32与金属压条16、16’一起弯曲时,垂直表面18、20可以弯曲。
因此,新的微型密封件形状(由第一和第二垂直表面18、20、成型表面32和水平表面22形成)更有效地将垂直压缩负载分布并传递到金属压条16中的侧壁23。在压缩期间,负载19重新分布保持微型密封件14的“大致水平表面22”“大致水平”。这种改进的负载传递和分布也增加了密封接头40的弯曲负载。
再次参照图5,针对第一和第二微型密封件14、14’中的每一个的成型表面32和大致水平表面22中的每一个限定微型密封件厚度28。此外,微型密封件厚度28可以在压缩之前沿着微型密封件14、14’的宽度而变化,其中厚度28朝向密封件的第一和第二边缘(“边缘区域26”)增加,而微型密封件14的中心区域30中的厚度28相对于边缘区域26较低。在压缩过程中,微型密封件厚度28’可能仍沿宽度45变化。然而,由于压缩(或垂直负载),压缩下的厚度28’可能变化较小。
现在参考图6,示出了制造微型密封件14的第一实施例方法62。该第一实施例方法62包括下述步骤:(1)将微型密封件材料的第一次施加应用于金属压条,其中该微型密封件材料处于粘性状态70;(2)在微型密封件材料74中形成大致水平表面;以及(3)固化微型密封件材料78。这些步骤在图6中以实线示出,而其他步骤用虚线示出以指示可以实施的附加步骤。
第一实施例方法62的附加步骤可以包括:(1)部分固化微型密封件材料76的第一次施加;(2)继续固化微型密封件材料的同时,在部分固化的微型密封件材料72的宽度上施加压缩负载,由此形成如上所述的大致水平表面;(3)去除压缩负载78;以及(4)完全固化微型密封件材料的第一次施加,由此形成微型密封件80。
参照图3A和3B,根据第一实施例的制造方法示出了微型密封件14。如图3A所示,在第一实施例制造方法(如图6所示)下制造的微型密封件材料24首先以液体或粘性状态任选地通过丝网模板50施加到金属压条上。如图2A所示,在最初施加时,由于其粘性性质,顶部表面48最初不是大致水平的(或笔直的)。使微型密封件材料24部分固化,使得微型密封件材料24处于凝胶状态。一旦获得凝胶状态,可以在微型密封件材料24的顶部表面48上均匀地施加压缩负载(或板)46,从而形成如图3B所示的大致水平表面22。如所描述的,如图6所示,图3B中所示的负载46可以在微型密封件材料24继续固化或者直到微型密封件材料24完全固化时保持。在图3B的微型密封件14中,如图所示,大致垂直表面18、20在每个表面中具有明显的曲线。
参照图7,制造燃料电池微型密封件的第二实施例方法62'包括下述步骤:(1)将微型密封件材料的第一次施加应用到金属压条,其中微型密封件材料处于粘性状态82;(2)将微型密封件材料的第二次施加应用到与微型密封件材料的第一次施加相邻的金属压条上,其中来自第一次和第二次施加的微型密封件材料处于粘性状态84;(3)在微型密封材料86中形成大致水平表面,以及(4)固化微型密封件材料88。可以理解的是,在步骤86中形成大致水平表面的步骤中,微型密封件材料(图4A中的元件52和54)的第一次和第二次施加可操作地配置成朝向彼此流动,由此形成大致水平表面22(如图4B所示)。
参照图4A,示出了粘性微型密封件材料24的第一次和第二次施加52、54,其中第一次施加52和第二次施加54彼此相邻。在图4A中,屏幕50用于将微型密封件材料24供给到金属压条16上。一旦粘性微型密封件材料的第一次和第二次施加52、54朝向彼此流动而形成大致水平表面22,图4B示出最终的微型密封件14。应该理解的是,图2A、3B和4A中的最终的微型密封件14具有相同或相似的配置,其中当微型密封件14以非压缩状态(在图2A和4B中示出)设置在金属压条16上时,微型密封件厚度28沿着大致水平表面22的宽度56变化。第一和第二大致垂直的壁(边缘区域26)中的每一个处或其附近的微型密封件厚度28大于微型密封件的中心区域30中的微型密封件厚度28。
虽然在前文的具体实施方式中已经呈现了至少一个示例性实施例,但是应该理解,存在大量的变化。还应该理解的是,一个或多个示例性实施例仅仅是示例,并不意图以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。确切地说,前文的具体实施方式将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利的指引。应该理解的是,在不脱离如所附权利要求书及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下,可以对元件的功能和设置进行各种改变。

Claims (9)

1.一种用于金属压条密封接头的微型密封件,所述微型密封件包括:
大致水平表面,其构造成与固定在第二金属压条上的另一微型密封件配合;
第一大致垂直表面,其设置在所述大致水平表面的第一端,和第二大致垂直表面,其设置在所述大致水平表面的第二端;和
成型表面,其与所述大致水平表面相对设置,所述成型表面与所述第一和第二大致垂直表面成一体以及所述成型表面固定到第一金属压条的一部分,当所述第一金属压条和第二金属压条在压缩下弯曲时,所述成型表面可操作地配置成弯曲。
2.根据权利要求1所述的用于金属压条密封接头的微型密封件,其中,所述大致水平表面可操作地配置成当经受垂直负载时保持大致平坦的表面取向。
3.根据权利要求1所述的用于金属压条密封接头的微型密封件,其中,所述成型表面和所述大致水平表面限定微型密封件厚度。
4.根据权利要求2所述的用于金属压条密封接头的微型密封件,其中,所述成型表面的整个表面区域可操作地配置成与金属压条一起弯曲。
5.根据权利要求3所述的用于金属压条密封接头的微型密封件,其中,边缘区域的所述微型密封件厚度大于中心区域的所述微型密封件厚度,所述边缘区域靠近所述第一和第二大致垂直表面中的每一个,且所述中心区域设置在所述第一大致垂直表面的边缘区域和所述第二大致垂直表面的边缘区域之间。
6.根据权利要求3所述的用于金属压条密封接头的微型密封件,其中,所述微型密封件厚度沿着所述大致水平表面的宽度变化。
7.一种用于燃料电池板的金属压条密封接头,所述金属压条密封接头包括:
第一金属压条,其具有第一微型密封件;和
第二金属压条,其与第一金属压条相对设置且具有抵靠所述第一微型密封件和所述第一金属压条的至少一部分压缩的第二微型密封件,所述第一微型密封件和第二微型密封件被压缩在第一金属压条和第二金属压条之间;
所述第一和第二微型密封件中的每一个还包括:
大致水平表面,所述大致水平表面构造成与相对设置的微型密封件的另一大致水平表面配合;
第一大致垂直表面,其设置在所述大致水平表面的第一端,和第二大致垂直表面,其设置在所述大致水平表面的第二端;和
成型表面,其与所述大致水平表面相对设置,所述成型表面固定到金属压条表面,所述成型表面与所述第一和第二大致垂直表面成一体,当所述第一金属压条和第二金属压条在压缩下弯曲时,所述成型表面可操作地配置成弯曲。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池板的金属压条密封接头,其中,所述大致水平表面中的每一个均可操作地配置成在压缩状态以及非压缩状态下保持大致平坦的取向。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池板的金属压条密封接头,其中,所述第一和第二大致垂直表面中的每一个和所述成型表面可操作地配置成具有在所述压缩和非压缩状态之间变化的表面取向。
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