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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein flächiges
Bauteil mit einer Dichtungsanordnung, wobei in mindestens einer
Oberfläche
des flächigen
Bauteils mindestens eine Dichtungsnut ausgebildet ist und wobei
mindestens ein Dichtelement der Dichtungsanordnung in die Dichtungsnut
eingefügt
ist und mit dem Bauteil eine integrale Einheit bildet.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Bauteils
mit einer Dichtungsanordnung. Gemäß diesem Verfahren wird in mindestens
einer Oberfläche
des flächigen
Bauteils mindestens eine Dichtungsnut ausgebildet. Außerdem wird
mindestens ein Dichtelement der Dichtungsanordnung aus einem Dichtungswerkstoff
gebildet, der in die Dichtungsnut eingebracht wird, so dass das
dabei entstehende Dichtelement eine integrale Einheit mit dem Bauteil
bildet.
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Stand der
Technik
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Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz derartiger mit Dichtungsanordnungen
versehener flächiger Bauteile
als Komponente in Brennstoffzellensystemen, insbesondere in den
Bereichen der stationären, mobilen
und portablen Anwendung, wo sich Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
(PEMFC) durchgesetzt haben.
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Diese
Brennstoffzellensysteme bestehen aus einer Aneinanderreihung von
Einzelzellen, dem so genannten Stack oder Zellstapel, in den häufig noch
zusätzliche
Komponenten zur Kühlung
integriert werden. Ein Stack kann aus bis zu 500 Einzelzellen bestehen.
Zur Abdichtung eines solchen Brennstoffzellenstacks werden je nach
dessen Größe und Konstruktion
aufwendigen und lange Dichtungen benötigt, was sich mit Hilfe herkömmlicher
Dichtungselemente, wie O-Ringe oder Rundschnur, nicht ohne weiteres
bewerkstelligen lässt.
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Voraussetzung
für das
Funktionieren einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks
ist, dass die Reaktionsräume über die
gesamte Lebensdauer zuverlässig
abgedichtet sind. Dazu müssen die
Dichtungswerkstoffe eine Reihe von Kriterien erfüllen, wie Temperaturbeständigkeit,
Medienbeständigkeit,
elektrochemische Inertheit, Langzeitbeständigkeit und geringe Permeabilität. Außerdem müssen Brennstoffzellendichtungen
hohe Toleranzen zwischen den einzelnen Brennstoffzellenkomponenten ausgleichen,
ein gutes und fehlerfreies Handling ermöglichen sowie großserientauglich
und dabei kostengünstig
sein.
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Eine
sehr gute Dichtwirkung lässt
sich mit Dichtungsanordnungen erzielen, die direkt auf einzelne
Brennstoffzellenkomponenten, wie Bipolarplatten, Gasdiffusionslagen
oder Membranen, integriert werden.
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In
der
EP 1 032 065 A2 wird
bereits eine Möglichkeit
der Direktintegration von Dichtungen auf Brennstoffzellenkomponenten
beschrieben. So zeigt diese Druckschrift eine Bipolarplatte, in
deren beiden Oberflächen
Nuten für Dichtelemente
ausgebildet sind. Diese Nuten sind einander gegenüberliegend angeordnet
und über
Durchgangsöffnungen
im Bodenbereich miteinander verbunden. Die Dichtelemente werden
in einem Spritzverfahren hergestellt, bei dem sie in die Nuten integriert
werden. Sie sind über
die Durchgangsöffnungen
miteinander verbunden und so u.a. unverlierbar an der Bipolarplatte
verankert.
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Voraussetzung
für die
Realisierung der aus der
EP
1 032 065 A2 bekannten Dichtungsanordnung ist, dass die
Nuten für
die Dichtelemente auf den beiden Oberflächen der Bipolarplatte zumindest
in einem Abschnitt einander gegenüber liegen müssen. Nur
in diesem Fall können
Durchgangsöffnungen
erzeugt werden, die zwei Nuten in den beiden Hauptoberflächen der
Bipolarplatte miteinander verbinden. Dieses Erfordernis schränkt die
Einsatzmöglichkeiten
der bekannten Dichtungsanordnung in der Praxis deutlich ein.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flächiges Bauteil mit Dichtungsanordnung
bereitzustellen, welches sich einfach für verschiedene Anwendungsfälle realisieren
lässt,
wobei immer eine gute Fixierung der Dichtungsanordnung an dem flächigen Bauteil
gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1, 6 und 7 gelöst. Auf
vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass in einer Oberfläche
des flächigen
Bauteils mindestens eine außerhalb
der Dichtungsnut angeordnete aber mit der Dichtungsnut kommunizierende
Tasche ausgebildet ist und sich das Dichtelement bis in diese Tasche
erstreckt und dadurch zusätzlich
verankert wird.
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Als
weitere Lösung
der Aufgabe wird ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines flächigen Bauteils
mit einer Dichtungsanordnung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß wird in
der Oberfläche
des flächigen
Bauteils mindestens eine außerhalb
der Dichtungsnut angeordnete aber mit der Dichtungsnut kommunizierende
Tasche ausgebildet, über
die dann der Dichtungswerkstoff in die Dichtungsnut eingebracht
wird.
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Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass sich die Gebrauchseigenschaften einer Dichtungsanordnung
für flächige Bauteile
verbessern lassen, wenn die auf der Oberfläche eines solchen flächigen Bauteils
integrierten Dichtelemente noch zusätzlich fixiert oder verankert
werden. Es ist ferner erkannt worden, dass eine solche Verankerung
nicht zwangsläufig
im Bereich der Dichtungsnut angeordnet sein muss und sich auch nicht
zwangsläufig
durch das flächige
Bauteil erstrecken muss. Erfindungsgemäß wird eine Verankerung mit
Hilfe von Taschen vorgeschlagen, die außerhalb der Dichtungsnut angeordnet
sind aber mit dieser kommunizieren. Das Dichtelement soll sich bis
in diese Taschen erstrecken und so zusätzlich an dem flächigen Bauteil
befestigt werden. Eine derartige Tasche kann – je nach Anwendungsfall – einfach
in Form einer Ausnehmung in der Oberfläche des flächigen Bauteils realisiert
werden. In diesem Fall ist die Verankerung in derselben Oberfläche ausgebildet,
wie das Dichtelement. Erfindungsgemäß ist außerdem erkannt worden, dass sich
derartige Taschen auch bei der Herstellung der einzelnen Dichtelemente
als vorteilhaft erweisen können.
Wenn der Dichtungswerkstoff mit Hilfe einer Düse, beispielsweise in einem
Spritzgießverfahren, durch
Spritzpressen, durch Formpressen oder durch Pressen in die Dichtungsnut
eingebracht wird, können
die Taschen als definierte Ansatzstellen für die Düse, d.h. als so genannte Anspritzpunkte,
genutzt werden. Die erfindungsgemäßen Taschen bilden außerdem einen Überlauf
bzw. eine Art Sammelbecken für
das Dichtungsmaterial.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten
für die Ausgestaltung
einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung,
insbesondere für
die Anordnung und Ausbildung der Taschen. So kann eine erfindungsgemäße Tasche
in Form einer Ausnehmung in derselben Oberfläche eines Bauteils ausgebildet
sein, in der auch die Dichtungsnut ausgebildet ist, mit der diese
Tasche kommuniziert. Ebenso kann eine erfindungsgemäße Tasche
aber auch in Form einer Durchgangsöffnung in dem flächigen Bauteil
realisiert sein, die ausgehend von einer Oberfläche des flächigen Bauteils mit einer Dichtungsnut
in der gegenüberliegenden
Oberfläche
des flächigen
Bauteils kommuniziert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung werden die Taschen so angeordnet, dass sie mit mindestens
zwei Dichtungsnuten kommunizieren. Dafür müssen diese lediglich in einem
Abschnitt benachbart angeordnet sein. Die entsprechenden Dichtelemente
sind im Bereich der Tasche miteinander verbunden, wodurch eine besonders gute
Fixierung der Dichtelemente gewährleistet
wird. Diese Variante erweist sich aber auch im Hinblick auf das
Herstellungsverfahren als besonders vorteilhaft, weil hier in einem
Herstellungsschritt mehrere Dichtelemente erzeugt werden können. Dazu
wird der Dichtungswerkstoff in einem Verfahrensschritt über eine
Tasche in alle mit dieser Tasche kommunizierenden Dichtungsnuten
eingebracht.
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Wie
bereits erwähnt,
kann eine Tasche erfindungsgemäß so ausgelegt
werden, dass sie mit zwei Dichtungsnuten kommuniziert, die in derselben Oberfläche des
flächigen
Bauteils ausgebildet sind. In diesem Fall kann die Tasche einfach
in Form einer geeignet angeordneten Ausnehmung in dieser Oberfläche realisiert
werden.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch Taschen, die eine Durchgangsöffnung im
flächigen Bauteil
umfassen, so dass sie mit Dichtungsnuten auf den beiden gegenüberliegenden
Oberflächen
des Bauteils kommunizieren können.
Damit lässt
sich die Erfindung auch bei flächigen
Bauteilen realisieren, bei denen die in den beiden Oberflächen ausgebildeten
Dichtungsnuten einen völlig
unterschiedlichen Verlauf aufweisen. Die einzige Voraussetzung hierfür ist, dass
die Dichtungsnuten zumindest in einem Abschnitt benachbart angeordnet
sind. Diese Variante ermöglicht
die beidseitige Integration von Dichtelementen in einem Prozessschritt über eine
Tasche. Dadurch können
die Herstellungskosten erheblich reduziert werden was insbesondere
bei einer Ausbildung der flächigen
Bauteile als Bipolarplatte für
eine Brennstoffzelle vorteilhaft ist.
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Mit
Hilfe der Erfindung lassen sich aber auch in vorteilhafter Weise
zwei übereinander
angeordnete als flächige
Bauteile ausgebildete Bipolarplatten einer Brennstoffzelle miteinander
verbinden. Dazu kann die Tasche mit zwei Dichtungsnuten kommunizieren,
die in aneinander grenzenden Oberflächen der Bipolarplatten ausgebildet
sind und zumindest in einem Bereich benachbart zueinander angeordnet sind.
In diesem Fall kann die Verbindung der Bipolarplatten durch die
in die Dichtungsnuten eingefügten Dichtelemente
realisiert werden, die wiederum jeweils eine integrale Einheit mit
den Bipolarplatten bilden. Diese Bipolarplatten werden häufig auch
als Separatorplatten bezeichnet.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es
sind verschiedene Möglichkeiten
denkbar, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die
den unabhängigen
Patentansprüchen
nachgeordneten Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
als perspektivische Schnittansicht ein als flächiges Bauteil ausgebildete
Bipolarplatte im Bereich einer erfindungsgemäßen Tasche;
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2 zeigt
einen Schnitt durch die Bipolarplatte entlang der in 1a
eingezeichneten Schnittebene A-A,
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3 zeigt
einen Schnitt durch eine andere Ausgestaltung der Bipolarplatte
analog zu 2, welche sich in der Ausbildung
der Tasche von der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungen
unterscheidet,
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4 zeigt
einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Bipolarplatte
analog zu 2, welche sich in der Ausbildung
der Tasche von den in den 1, 2 und 3 dargestellten
Ausführungen
unterscheidet, und
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5 zeigt
einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Bipolarplatte
analog zu 2, welche sich in der Ausbildung
der Tasche von den in den 1, 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungen
unterscheidet;
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6 zeigt
eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung
der Bipolarplatte im Bereich einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Tasche,
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7 zeigt
einen Schnitt durch die weitere Ausgestaltung der Bipolarplatte
entlang der in 6 eingezeichneten Schnittebene
B-B;
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8 bis 10 zeigen
jeweils eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit unterschiedlichen
Taschenformen.
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Ausführung der
Erfindung
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In
den 1 und 2 ist ein flächiges Bauteil 1 dargestellt,
bei dem es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Bipolarplatte 10 aus Graphit
handelt, wie sie in Brennstoffzellen zum Einsatz gelangt. In der
Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 ist eine Dichtungsnut 1 ausgebildet. 2 zeigt die
Bipolarplatte 10 mit einem Dichtelement 2, das
in die Dichtungsnut 1 eingefügt worden ist, so dass das Dichtelement 2 mit
der Bipolarplatte 10 eine integrale Einheit bildet. Dichtungsnut 1 und
Dichtelement 2 bilden die Dichtungsanordnung 12.
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Erfindungsgemäß ist in
der Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 eine Tasche 3 ausgebildet, die außerhalb
der Dichtungsnut 1 angeordnet ist, aber mit dieser kommuniziert.
Das Dichtelement 2 erstreckt sich bis in die Tasche 3,
was durch 2 verdeutlicht wird.
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Hier
ist außerdem
eine Düse 5 dargestellt, mit
deren Hilfe bei der Fertigung der Dichtungswerkstoff in die Dichtungsnut 1 eingebracht
wird. Dazu wird die Düse 5 im
Bereich der Tasche 3 angesetzt. Der Dichtungswerkstoff
wird dann über
die Tasche 3 in alle an die Tasche 3 angeschlossenen
Dichtungsnuten 1 eingespritzt.
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Im
vorliegenden Fall ist die Tasche 3 in Form einer Erweiterung
der Dichtungsnut 1 realisiert und weist dieselbe Kanaltiefe
wie die Dichtungsnut 1 auf. Bei dieser Variante gestaltet
sich die Strukturierung der Bipolarplatte 10 besonders
einfach, da die Dichtungsnut 1 und die Tasche 3 in
einem Verfahrensschritt und mit denselben Werkzeugen in der Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 erzeugt werden können. Dieser herstellungstechnische
Vorteil lässt
sich insbesondere dann nutzen, wenn Dichtungsnuten 1 mit einer
größeren Kanaltiefe
realisiert werden können, beispielsweise
wenn die Bipolarplatte 10 lediglich eine einseitige strukturiert
aufweist. Ansonsten müssen
beim Anspritzen des Dichtungswerkstoffs sehr große Fließwiderstände überwunden werden, damit sich
der Dichtungswerkstoff ausgehend von der Tasche 3 in der
gesamten Dichtungsnut 1 verteilt. Jedenfalls darf der Spritzdruck,
der beim Anformen der Dichtelemente 2 aufgebracht werden
muss, immer nur so groß sein,
dass er die mechanische Belastbarkeit der Bipolarplatte 10 nicht übersteigt.
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In
den 3, 4 und 5 sind drei
Taschenvarianten dargestellt, mit denen sich eine Fließwiderstandsreduzierung
beim Anspritzen des Dichtungswerkstoffs ausgehend von den erfindungsgemäßen Taschen 3 erzielen
lässt.
Diese Varianten erweisen sich insbesondere bei geringer Kanaltiefe der
Dichtungsnut 1 als vorteilhaft. Da die Dichtungsnuten 1 die
Stabilität
der Bipolarplatte 10 beeinträchtigen, ist die maximale Tiefe
der Dichtungsnut 1 u.a. abhängig von den Materialeigenschaften
der Bipolarplatte 10 sowie deren Dicke und Struktur. Insbesondere
wenn die Bipolarplatte 10 zweiseitig strukturiert wird,
lassen sich häufig
nur Dichtungsnuten 1 mit einer geringen Kanaltiefe realisieren.
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Bei
der in 3 dargestellten Variante ist die Tasche 3 in
Form einer Ausnehmung 6 in der Oberfläche 13 der Bipolarplatte 10 realisiert,
die tiefer ist als die Dichtungsnut 1. Im Vergleich zu
der in den 1 und 2 dargestellten
Variante treten hier beim Angießen
des Dichtungswerkstoffs geringere Fließwiderstände auf, so dass hier auch
ein geringerer Spritzdruck ausreicht, um den Dichtungswerkstoff in
die Dichtungsnut 1 einzubringen. Dementsprechend ist die
Bipolarplatte 10 bei der Integration des Dichtelements 2 einer
geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt als die in den 1 und 2 dargestellte
Bipolarplatte 10.
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Auch
im Fall der in 4 dargestellten Variante ist
die Tasche 3 in Form einer Ausnehmung 6 in der
Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 realisiert, die tiefer ist als die Dichtungsnut 1.
Allerdings weist hier auch der an die Tasche 3 anschließende Bereich
der Dichtungsnut 1 eine größere Kanaltiefe auf als die übrige Dichtungsnut 1,
was durch die Kontur 4 angedeutet ist. Wie im Fall der
in 3 dargestellten Variante treten hier beim Angießen des
Dichtungswerkstoffs vergleichsweise geringere Fließwiderstände bei
der Integration des Dichtelements 2 auf.
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Bei
der in 5 dargestellten Variante ist die Tasche 3 nicht
als Ausnehmung in der Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 realisiert sondern als Durchgangsöffnung 7.
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Die
voranstehend beschriebenen Taschenvarianten können auch mit mehreren in der
Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 ausgebildeten Dichtungsnuten 1 kommunizieren.
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Das
in den 6 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel
bezieht sich ebenfalls auf eine Bipolarplatte 10 für Brennstoffzellen.
Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Bipolarplatte 10 beidseitig strukturiert und weist
sowohl auf der Oberfläche 13 eine Dichtungsnut 1 als
auch auf der weiteren Oberfläche 14 eine
weitere Dichtungsnut 8 auf. In der Bipolarplatte 10 ist
ferner eine Tasche 3 ausgebildet, die mit den beiden Dichtungsnuten 1, 8 kommuniziert.
Dazu umfasst die Tasche 3 eine Ausnehmung 6 in
der Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10, die zwar außerhalb der Dichtungsnut 1 angeordnet
ist, aber an diese angeschlossen ist. Die 6 und 7 zeigen,
dass diese Ausnehmung 6 tiefer ausgebildet ist als die Dichtungsnut 1 und
sich einerseits bis über
die Dichtungsnut 1 erstreckt. Andererseits erstreckt sich
die Ausnehmung 6 bis über
den Bereich der weiteren Dichtungsnut 8, die auf der Unterseite
der Bipolarplatte 10 angeordnet ist. In diesem Bereich
umfasst die Tasche 3 eine Durchgangsöffnung 7, die mit
der weiteren Dichtungsnut 8 fluchtet.
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7 zeigt
die Bipolarplatte 10 mit Dichtelementen 2 und 9,
die in die Dichtungsnuten 1 und 8 eingefügt sind,
so dass sie mit der Bipolarplatte 10 eine integrale Einheit
bilden. Die beiden Dichtelemente 2 und 9 sind über die
Tasche 3 miteinander verbunden. Die in den Dichtungsnuten 1, 8 angeordneten
Dichtelemente 2, 9 bilden die Dichtungsanordnung 12.
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Wie
in den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die
Integration der Dichtelemente 2 und 9 auch hier
durch Anspritzen eines Dichtungswerkstoffs. Dazu wird eine Düse 5,
wie in 7 dargestellt, im Bereich der Tasche 3 und zwar über der
Durchgangsöffnung 7 angesetzt.
Der Dichtungswerkstoff wird so über
die Ausnehmung 6 in die Dichtungsnut 1 auf der
Oberfläche 13 der
Bipolarplatte 10 eingespritzt und über die Durchgangsöffnung 7 in
die weitere Dichtungsnut 8 auf weiteren Oberfläche 14 der
Bipolarplatte 10. Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Tasche 3 eine beidseitige
Dichtungsintegration in einem Verfahrensschritt.
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In
den 8 bis 10 sind unterschiedliche Taschenformen
dargestellt. Da die Tasche 3 häufig als Anspritzpunkt dient,
erweist es sich bei der Ausbildung der Tasche 3 als vorteilhaft,
die Form der Anspritzdüse
zu berücksichtigen. 8 zeigt
eine eckige Ausführung
der Tasche. Im Unterschied dazu sind bei der in 9 dargestellten
Variante die Ecken der Form der Tasche 3 abgerundet, während die
in 10 dargestellte Tasche 3 halbkreisförmig ausgebildet
ist.