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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischen
Stromes mit einer mit Wasserstoff beaufschlagten Anode und einer
mit Luft bzw. Sauerstoff versorgten Kathode sowie der dazwischen
angeordneten, gasdichten und elektrisch isolierenden Membran (Elektrolyt),
wobei Anode und auch Kathode ein Katalysator zugeordnet ist und
wobei Anode und Kathode über einen Stromkreis verbunden
sind. Die Verbindung betrifft außerdem ein Verfahren zum
Beschichten einer Elektrolytfolie mit Kohle bzw. einer keramischen
Elektrolytplatte.
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Eine
solche Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und
einer dazwischen liegenden Membran, dem so genannten Elektrolyten.
An der Anode wird der Wasserstoff oxidiert (Elektroüberschuss),
an der Kathode (Elektronenmangel) werden die Protonen mit dem Sauerstoff
zu Wasser umgesetzt. Werden Anode und Kathode über einen
elektrischen Leiter verbunden, fließt Strom. Außerdem
wird Wärme freigesetzt. Der gesamte Vorgang läuft
kontinuierlich, d. h. es wird ständig Wasserstoff und Sauerstoff
den jeweiligen Elektroden zugeführt. Bekannt sind unterschiedliche
Brennstoffzellentypen, wie die alkalische, die phosphorsaure, die
direktmethanol, die schmelzcarbonat, die polymer elektrolyt Membran
oder die oxid keramische Brennstoffzelle. Die polymer elektrolyt
Membran Brennstoffzelle eignet sich insbesondere für die
mobile Anwendung, wobei dabei auch günstige Temperaturverhältnisse
vorliegen. Bekannt sind solche Brennstoffzellen beispielsweise aus
der
DE 16 72 679 A1 sowie
der
EP 0 490 808 A1 . Bei
diesen bekannten Brennstoffzellen werden für die Elektroden,
d. h. also für die Anode und die Kathode, solche mit hoher
Porösität eingesetzt, damit eine große
Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen
zur Verfügung steht. Diese Elektroden sind mit dünnen,
katalytisch wirkenden Edelmetallschichten überzogen, insbesondere
mit Platin oder Platinlegierungen. Sauerstoff und Wasserstoff werden über
Bipolarplatten, in die feine Gänge gefräst sind,
den Elektroden zugeführt. Bei diesen bekannten Brennstoffzellen
ist von Nachteil, dass die Herstellung der Elektroden aufwendig
und großtechnisch nur mit erheblichem Aufwand darstellbar
ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Brennstoffzelle
mit Elektroden zu schaffen, die über eine optimal große
und katalytisch wirksame Reaktionsfläche verfügen
und gut zu verarbeiten sowie verfahrensmäßig gut
und sicher herstellbar sind.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
dass Anode und Kathode eine Vielzahl, eine Durchströmpackung
bildender, eine hohe Porösität aufweisender Kohleelemente
aufweisen oder daraus bestehen.
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Bei
derart ausgebildeten Elektroden werden die Kohleelemente auf eine
Stützmatrix aufgebracht, so dass sie in dieser Form als
Anode und auch Kathode einsetzbar sind. Die eine hohe Porösität
aufweisende Kohle verfügt über die notwendig große Oberfläche
für die elektrochemischen Umsetzungen, so dass der entsprechende
Prozess sicher und gleichmäßig ablaufen kann.
Besonders vorteilhaft ist aber, dass diese Stützmatrix
und die Kohleelemente die Möglichkeit geben, entsprechende
Elektroden auch großtechnisch herzustellen. Dies ist vor
allem mit gleichförmig ausgebildeten Kohleelementen möglich,
wobei diese gleichzeitig auch als Katalysator wirken. Die Kohleelemente
sind auf der Stützmatrix vor allem einem textilen Gewebe
so aufgebracht, dass der Sauerstoff, als die Luft, oder der Wasserstoff
gezwungen ist, die Kohleelemente zu umstreichen und in die Poren
auch entsprechend einzudringen. Vorteilhaft ist darüber
hinaus, dass das Herstellen derartiger Elektroden auch in großem
Maße möglich ist.
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Nach
einer zweckmäßigen Ausbildung ist vorgesehen,
dass die Kohleelemente eine definierte Kugelform aufweisen, wobei
beispielsweise aus der
DE
196 00 237 A1 ein Verfahren bekannt ist, wie man körnige
bzw. kugelförmige Kohleelemente herstellen kann. Auch die
DE 201 21 506 U1 lehrt
entsprechende Kohlekügelchen, die über eine große
Oberfläche bzw. Porösität verfügen.
Dabei ist eine extrem große Oberfläche dann gegeben,
wenn die Kohleelemente aus einer geformten Aktivkohle bestehen,
wie dies ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen
ist.
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Wie
weiter vorne schon erwähnt, ist es besonders vorteilhaft,
wenn die eine definierte Kugelform aufweisenden Kohleelemente auf
ein Stützgewebe aufgebracht sind, wobei sie in diesem Stützgewebe
bzw. am Stützgewebe optimal durch Klebung o. Ä.
festzulegen sind. Die definierte Kugelform gibt die Möglichkeit,
eine entsprechende Kanäle aufweisende Durchströmpackung
aufzubauen, die dann für die Anode und auch die Kathode
zu einem Aufbau führen, der gerade in der Brennstoffzelle
besonders vorteilhaft einsetzbar ist. Dies gilt sowohl bezüglich
der Stabilität dieses Elektrodenelementes wie auch der gezielten
Durchleitung des Wasserstoffes bzw. der Luft.
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Sollte
die Katalysatorwirkung der Kohleelemente nicht ausreichend oder
nicht optimal sein, sieht die Erfindung vor, dass die kugelförmigen
Kohleelemente einen katalytisch wirkenden Überzug oder
eine Beimischung aufweisen. Denkbar ist es auch, dass das Gewebe
und die Kohleelemente mit einem katalytisch wirkenden Stoff belegt
sind.
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Weiter
vorn ist ausgeführt worden, dass zwischen den Elektroden,
d. h. also Anode und Kathode, eine Membran angeordnet ist. Diese
Membran besteht aus einer Kunststofffolie oder einer Keramikplatte,
wobei je nach Brennstoffzellentyp die Notwendigkeit besteht, diese
mit Phosphorsäure zu tränken, wobei die Phosphorsäure
die elektrolytische Funktion bewirkt, nämlich die Protonenpassage,
während die Elektronen zurückgehalten werden.
Um die Stützmatrix bzw. das Stützgewebe überflüssig
zu machen, ist es gemäß der Erfindung von Vorteil,
wenn die kugelförmigen Kohleelemente auf der Elektrolyt-Membran
angeordnet sind. Auf beiden Seiten der Membran werden also kugelförmige
Kohleelemente angeordnet, so dass die Membran selber die Tragfunktion oder
die Stützfunktion mit übernehmen kann, wodurch
der Gesamtaufbau der Brennstoffzelle vorteilhaft vereinfacht werden
kann.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
kugelförmigen Kohleelemente aufgeklebt, in die Membran
leicht eingedrückt oder in die Membran eingebunden sind.
Eine solche entsprechende Verbindungs- oder Druck- oder Auftragstechnik
ist vorteilhaft, weil sie dadurch die erwähnte Stützmatrix
oder das Stützgewebe nicht benötigt, dennoch ein
genauer und auch technisch zu verwirklichender Aufbau von Anode
und Kathode möglich wird. Besonders vorteilhaft ist eine
solcher Aufbau, wenn die Kohle selbst eine katalytische Wirkung
aufweist.
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Eine
dritte Möglichkeit für den Aufbau von Anode und
Kathode bzw. der gesamten einzelnen Zelle ist die, bei der die kugelförmigen
Kohleelemente eine Kohlematrix bilden, wobei die Kohlematrix eine
innere elektrolytische Schichtung aufweist und gleichzeitig Anode,
elektrolytische Membran und Kathode darstellt. Die innere elektrolytische
Schichtung übernimmt die Aufgabe der Membran, während
die beiden äußeren Schichten Anode und Kathode
darstellen Ein solcher Aufbau erleichtert die Herstellung derartiger
Brennstoffzellen und ermöglicht es, verhältnismäßig
schmale bzw. dünnwandige Zellen zu verwirklichen.
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Soweit
eine gesonderte Membran verwirklicht werden soll, ist gemäß der
Erfindung vorgesehen, dass diese elektrolytische Membran eine auf Kunststoffbasis
bestehende Folie oder eine Keramikplatte ist. Sowohl die Folie wie
auch die Keramikplatte bietet die Möglichkeit einer großtechnischen
Herstellung, wobei weiterhin auch noch die dazu benötigten
Verfahren erläutert sind. Vorteilhaft ist eine derartige
Herstellung auch deshalb, weil damit die Möglichkeit besteht,
derartige komplizierte Systeme zu vertretbaren Preisen herzustellen
und dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist
es letztlich egal, um welchen Anwender es sich dabei handelt.
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Der
Luft- und Brenngaszuführung sowie auch der Abgasabführung
und der Abführung des Wassers dienen Bipolarplatten mit
mäanderförmigen Rillen. Diese Bipolarplatten sind
Anode und Kathode zur Luft- und zur Brenngaszuführung vorgeordnet. Über
diese Bipolarplatten ist es insbesondere möglich, die Luft
und das Brenngas, also dem Wasserstoff getrennt sicher zuzuführen
und das Abgas bzw. das Wasser wiederum sicher abzuleiten.
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Insbesondere
dann, wenn für die kugelförmigen Kohleelemente
auf eine Trägerfolie oder ein Trägerelement verzichtet
werden kann, weil sie eine Doppelfunktion übernehmen, ist
es von Vorteil, wenn die kugelförmigen Kohleelemente in
gestapelter, getrennt hergestellter Durchström-Packung
einsetzbar sind. Auch bei anderen Ausbildungen, d. h. dann, wenn
sie mit einem Trägerelement verbunden werden sollen, können
solche vorher hergestellten Durchströmpackungen von Vorteil
sein, da sie selbst ein stabiles Gerüst bildend quasi einfach
an das Trägerelement aufgelegt und damit verbunden werden.
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Unabhängig
davon, ob sie eine solche vorhergestellte Packung bilden oder aber
auf das Trägerelement aufgebracht werden, ist zur optimalen Durchströmung
dieser Kugelpackung von großem Vorteil, wenn die kugelförmigen
Kohleelemente kanal- bzw. mäanderförmige Strukturen
bei der Herstellung der Anoden und Kathoden freilassend ausgebildet
sind. Die eigentliche Kugelpackung ist also von solchen Kanälen
durchdrungen, wobei sie so angeordnet und ausgebildet sind, dass
sowohl der Wasserstoff wie auch die Luft gleichmäßig
durch die gesamte Packung hindurchströmen muß.
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Unter
Berücksichtigung der Tatsache, dass die zum Einsatz kommenden
Folien vor dem Einsatz mit einer Elektrolytflüssigkeit
getränkt werden muss, ist es von Vorteil, wenn die kugelförmigen
Kohleelemente bei der Herstellung der Anoden und Kathoden oder der
Elektrolytfolie der Elektrolytmembran dicht beieinander liegend
angeordnet sind und erst nach dem Tränken der Elektrolytfolie
mit Elektrolytflüssigkeit Strömungskanäle
für die Prozessmedien vorgebend positioniert sind. Da man
weiß, wie weit bzw. in welchem Maße die Folie
ihre Abmaße verändert, kann so genau die Größe
der Strömungskanäle vorgegeben werden, was für
die anschließende Wirkung von großem Vorteil ist.
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Die
Brennstoffzelle besteht ja aus einer Vielzahl von Zellen, die dicht
beieinander positioniert die gesamte Brennstoffzelle ergeben. Um
hier die Abmaße in Grenzen zu halten, sieht die Erfindung
vor, dass die die Kathode und Anode und die Elektrolytmembran einfassenden
Bipolarplatten benachbarter Zellen zu einer Platte zusammengefasst
sind, wobei die rillenförmigen Kanäle für
die Zu- und Abführung der Prozessmedien sowie der Kühlmedien
integriert sind und die Pole für die elektrisch in Reihe
geschalteten Zellen aufweisen. Dies hat den großen Vorteil,
dass beispielsweise bei 10 oder 20 benachbarter Zellen doch eine
deutliche Baumaßreduzierung erreicht werden kann, ohne
dass die Wirkung der gesamten Brennstoffzelle dadurch beeinträchtigt
würde.
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Eine
andere Variante des Zellenaufbaus sieht vor, dass dass die Kathoden
und Anoden eine mit kugelförmigen Kohleelementen vorzugsweise beidseitig
beschichtete Elektrolytmembranoberfläche aufweisend ausgebildet
und dicht an die Keramikplatte oder mit Elektrolytflüssigkeit
getränkte Folie ausgeführte Elektrolytmembran
angefügt sind. Eine derart ausgebildete Zelle ist voll
wirksam und kann mit günstigen Bauabmessungen verwirklicht
werden.
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Eine
weitere Möglichkeit des Zellenaufbaus ist die, bei der
als Kathoden und Anoden je eine mit kugelförmigen Kohleelementen
beschichtete, separate Trägerfolie eingesetzt ist und direkt
oder über den zugeordneten Katalysator indirekt der Elektrolytmembran
zugeordnet ist. Eine derartige Ausbildung von Kathode und Anode
hat erhebliche Vorteile bei der Herstellung, zumal diese direkt
einfach und sicher herzustellen und mit Kugelkohle zu beschichten sind.
Auch bei dieser Ausbildung sind die Bipolarplatten benachbarter
Zellen zusammengefasst verwirklicht und mit den Zu- und Abführungen
für die Prozessmedien versehen.
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Eine
weitere zweckmäßige Ausbildung ist die, bei der
die Kathode von der einseitig mit kugelförmigen Kohleelementen
beschichteten Trägerfolie und die Anode von der einseitig
mit kugelförmigen Kohleelementen beschichteten Elektrolytmembran gebildet
ist. Auch dies hat herstellungsmäßige Vorteile
und ermöglicht es, die Baumaße derartiger Brennstoffzellen
weiter den Einsatzbedingungen zweckmäßig anpassbar
auszubilden.
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Eine
weitere wesentliche Vereinfachung ist, bei der die Bipolarplatten
als Polkathalysatoren ausgebildet und zwischen benachbarten Zellen
Isolierfolien angeordnet sind, die über als Kanäle
dienende Öffnungen und/oder Durchbrüche verfügen.
Diese Ausbildung der Bipolarplatten bringt eine entscheidende Vereinfachung,
weil diese Bipolarplatten nur noch als einfache Polplatten hergestellt
müssen und damit mit einem preiswerten großtechnischen
Verfahren praktisch von der Rolle gefertigt werden können.
Die Isolierfolie bildet die elektrische Isolierung zwischen zwei
Zellen und wird wie erfindungsgemäß vorgesehen,
mit den notwendigen Strömungskanälen versehen,
so dass sie in gewisser Weise den Austausch zwischen den einzelnen
Zellen ermöglichen. Die eigentliche Elektrolytmembran kann
ohne Kohlebelag verwirklicht werden und dient dann der eigentlichen
Aufgabe, ohne sie mit Zweitaufgaben zusätzlich zu belasten.
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Die
einzelnen Polplatten oder besser Polkatalysatoren sind gemäß einer
zweckmäßigen Weiterbildung mit Stromfahnen versehen,
die einzelnen Zellen sind einzeln verschaltet und angesteuert und nach
Bedarf in Reihe oder parallel zu schalten. Damit kann je nach Bedarf
verschaltet werden und vor allen Dingen besteht die Möglichkeit
bei Ausfall einzelner Zellen dennoch die Brennstoffzelle insgesamt
weiter betreiben zu können, was besonders vorteilhaft ist, weil
ansonsten bei Ausfall einzelner Zellen beispielsweise durch Schichtungsfehler
ein vierstelliger Euro-Betrag anfällt, weil die Gesamtbrennstoffzelle
entsorgt werden muss. Durch das Verschalten einzelner Zellen lässt
sich die gewünschte Reihenschaltung weiter ausführen,
auch wenn eine der „Zwischenzellen" abgeschaltet wurde
oder sich abgeschaltet hat.
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Die
Polkathalysatoren als solche sind gemäß der Erfindung
als biegsame, wickelfähige und elektrisch leitende Folien
ausgeführt, die dann entsprechend wie erfindungsgemäß vorgesehen
vorteilhaft mit Kohle als Katalysatoroberfläche zu beschichten sind.
Diese Polplatten bzw. Polkatalysatoren sind wie schon erwähnt
mit Öffnungen versehen, um für die Prozessmedien
einen Zugang zur Katalysatoroberfläche zu schaffen.
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Bei
der Herstellung der verschiedenen Bauteile ist das Aufbringen von
Kohle besonders wichtig, wobei gemäß der Erfindung
ein Verfahren zum Beschichten einer Träger- oder auch einer
Elektrolytfolie mit Kohle, die in einer Brennstoffzelle zwischen Anode
und Kathode angeordnet wird, vorgesehen ist, dass die Träger-
oder Elektrolytfolie über ein Spann-, Heiz- und Führungssystem
gezogen und dabei über eine Endlosschablone mit Kleber
im vorgegebenen Muster und feinen Kleberpunkten im beliebigen Abstand
bis dichter Anordnung versehen wird, woraufhin Kugelkohle aufgestreut
und anschließend die überflüssige Kugelkohle
abgesaugt wird. Mit einem solchen Verfahren ist es vor allem möglich,
die Elektrolytfolie, also die Membran selbst gleich mit der „Anode"
und auch der „Kathode" zu versehen. Dazu wird auf beiden
Seiten oder zunächst auch nur auf der einen Seite Kugelkohle
oder besser gesagt Aktivkohlekügelchen aufgeklebt und zwar
in einem bestimmten, durch die Kleberpunkte vorgegebenen Muster,
um dann auch auf der anderen Seite die Aktivkohlekügelchen
entsprechend aufzubringen. Ist nur die Trägerfolie, die
mit Kohlekügelchen zu versehen ist, so wird diese nur auf
einer Seite entsprechend beschichtet und zwar auf der, die der Membran
zugeordnet ist. Vorteilhaft ist, dass bei einer derartigen Verfahrensführung
die Aktivkohlekügelchen bzw. die Kohlekügelchen
gezielt als Packung und so aufgebracht werden, dass sie auch auf
der Unterlage noch weitestgehend mit für das Verfahren
verwendet werden können, weil sie gezielt aufgeklebt sind.
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Weiter
vorne ist bereits erläutert worden, dass neben der Membran
auf Basis der Kunststofffolie auch Keramikplatten zum Einsatz kommen
können, wobei hierzu die Erfindung ergänzend lehrt, dass
die Elektrolytplatte zunächst von anderen Elektrolytplatten
eines Stapels vereinzelt einem Spann-, Heiz- und Führungssystem
zugeführt wird, wobei in diesem SHF-System über
eine routierende Endlosschablone im vorgegebenen Muster Klebstoff
punktweise Im Abstand oder in dichter Anordnung aufgebracht und
darauf Kugelkohle gestreut und anschließend überflüssige
Kugelkohle abgesaugt wird. Nach Aushärten des Klebers bzw.
des Leims steht dann eine entsprechende Elektrolytplatte, die vor
allem als Elektrolyt eingesetzt werden kann zur Verfügung,
die beidseitig mit Kohlekügelchen beschichtet ist. Denkbar
ist es aber auch, dass diese Platten lediglich als Trägerelement
oder Stützelement zu verwenden ausgebildet sind, also nur
einseitig mit Kohlekügelchen.
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Um
die Folie auf der anderen, also auf der Rückseite gezielt
auch mit Kohlekügelchen beschichten zu können,
ist vorgesehen, dass die schon beschichtete Folie abgewickelt und
mit der Rückseite nach oben durch die Anlage gezogen und
durch Synchronisierung des Folienvorschubes und der rotierenden
Endlosschablone das Muster auf die Rückseite deckungsgleich
zur Vorderseite in Form von kugelförmigen Kohleelementen
aufgebracht wird. Damit ist sichergestellt, dass auf beiden Seiten,
d. h. auf der Vor- und der Rückseite der Folie die kugelförmigen
Kohleelemente gleichmäßig und auch gleichmäßig
dicht vorhanden sind, so dass damit auch die vorgesehenen Einsätze
in der Brennstoffzelle durchzuziehen sind. Denkbar ist es auch,
auf die erste Schicht von kugelförmigen Kohleelementen
eine weitere aufzubringen, wenn dies aus irgentwelchen Gründen
sich als notwendig erweisen sollte. Dann allerdings ist es schwierig,
bei der nachfolgenden Tränkung mit Elektrolytflüssigkeit
die gewünschten Kanäle zwischen den einzelnen
kugelförmigen Kohleelementen zu verwirklichen.
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Auch
bei Elektrolytplatten ist es von Vorteil, wenn diese, wie weiter
vorne schon erwähnt, auf beiden Seiten mit kugelförmigen
Kohleelementen beschichtet sind. Hierzu sieht die Erfindung verfahrensmäßig
vor, dass die schon beschichteten Elektrolytplatten mit der nicht
beschichteten Rückseite nach oben noch einmal durch die
Anlage geführt werden, wobei die kugelförmigen
Kohle elemente durch geeignete Synchronisation von Plattenvorschub
und Schablonendrehung deckungsgleich mit der Vorderseite auf die
Rückseite aufgetragen werden.
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Zum
Schutz der schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente
ist es von Vorteil, wenn beim Einführen der schon beschichteten
Folie bzw. der Elektrolytplatten eine die auf der Rückseite
schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente abdeckende
und sichernde, elastisch bis weich ausgeführte Trägerschicht
mitgeführt und dabei von einer Reserverolle abgezogen wird.
Beim Durchlaufen der Anlage ist somit ein vorteilhafter Schutz für
die schon aufgebrachten kugelförmigen Kohleelemente verwirklicht
und damit sichergestellt, dass bei dem anschließenden Einbau
in eine Brennstoffzelle die kugelförmigen Kohleelemente
wie benötigt für den Prozess zur Verfügung
stehen.
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Ein
Brennstoffzellenaggregat besteht aus einer Vielzahl von gestapelten
und elektrisch verschalteten Zahl von Zellen, den so genannten Stacks.
Diese einzelnen Elemente bzw. Zellen werden zusammengesetzt und
bilden die fertige Brennstoffzelle. Hierzu sieht die Erfindung vor,
dass das Muster, in dem die Kugelkohle aufgebracht wird, von Rapport zu
Rapport bzw. Platte zu Platte gezielt verändert wird. Damit
kann, falls erforderlich, von einzelner Zelle zu einzelner Zelle
die Ausbildung der Durchströmpackung verändert,
also die Kanäle in ihrem Verlauf gezielt angepasst und/oder
verändert werden.
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Die
Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Brennstoffzelle
geschaffen ist, die Elektroden besonderer und optimaler Beschaffenheit
aufweist. Diese Elektroden bestehen aus einem Stützgerüst
oder einem Stützgewebe, das mit Kohlekugeln definierter
Größe und Form versehen ist oder diese Kohlekugeln
bilden die Anode und Kathode selbst, indem sie die besagte Durchströmpackung
zu einer solchen Durchströmpackung zusammengefasst sind.
Die Kugelkohle insbesondere in Form einer Aktivkohlekugel verfügt über
eine enorm große Oberfläche, so dass sie besonders
geeignet ist für den Einsatz als Anode oder Kathode in der
Brennstoffzelle und zwar in der Regel ohne zusätzlichen
Katalysator. Ist ein solcher Katalysator aber zweckmäßig,
so kann er einfach und zweckmäßig in die Kugelkohle
integriert sein oder als Schicht auf sie aufgebracht werden. Sie
dringt auch bei der schichtweisen Aufbringung in die Poren ein und
sorgt für eine gleichmäßige Wirkungsweise
als Katalysator bzw. als Anode oder bzw. Kathode. Besonders hervorzuheben
ist, dass solche Anoden und Kathoden aber auch bei einer Kombination
als Kathode, Elektrolyt und Anode großtechnisch herzustellen
ist. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Brennstoffzelle,
bei der die Bipolarplatten zu Polplatten bzw. zu Polkatalysatoren
umfunktioniert ausgebildet sind. Den Polplatten oder Polkatalysatoren
können die Stromfahnen zugeordnet werden, wobei die Möglichkeit
besteht, die einzelnen Zellen einfach zu verschalten und anzusteuern
und je nach Bedarf in Reihe oder parallel zu schalten. Die entsprechend zweckmäßig
ausgebildeten Polplatten, die einseitig mit Kohle als Katalysatoroberfläche
beschichtet sind, sind einfach und zweckmäßig
herzustellen und auch preiswert im großtechnischen Verfahren,
wobei als weiterer Vorteil zu nennen ist, dass die eigentliche Elektrolytmembran
ohne Kohlebeleg verwirklicht werden kann. Auch hier ist die Herstellung
vereinfacht, wobei die Vielseitigkeit der Verwendung als besonderer
Vorteil hervorzuheben ist.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung,
in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu
notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine
Brennstoffzelle in perspektivischer Darstellung,
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2 eine
Einzelzelle im Teilschnitt,
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3 Kugelfläche
in perspektivischer Darstellung, in kompakter Durchströmpackung
bzw. Durchströmpackung mit Kanälen,
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4 eine
Beschichtungsanlage für Kunststofffolien,
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5 eine
Beschichtungsanlage für keramische Platten,
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6 eine
Draufsicht auf eine Trägerfolie mit mehreren Mustern nebeneinander,
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7 eine
Draufsicht auf eine Elektrolytmembran bzw. eine Elektrolytfolie
vor dem Tränken mit Elektrolytflüssigkeit und
nach dem Tränken, wo dann die erforderlichen Strömungskanäle
klar vorhanden sind,
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8 zwei
nebeneinander liegende Zellen bzw. Stacks mit nur einer zwischen
gefügten Bipolarplatte,
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9 eine
weitere Aufbauvariante von Zellen 2, 2',
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10 eine
dritte Ausführungsform zweier nebeneinander angeordneter
Zellen 2, 2',
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11 eine
vierte Variante für einen Zellenaufbau mit als Polplatten
ausgebildeten Bipolarplatten und
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12 eine
Anlage zur doppelseitigen Beschichtung mit kugelförmigen
Kohleelementen in Teilansicht.
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1 zeigt
eine Brennstoffzelle 1 in perspektivischer Ansicht, wobei
deutlich wird, dass die einzelnen Zellen oder Stacks 2, 2', 2'' zwischen
den beiden Begrenzungsplatten 3 und 4 eingespannt sind.
Nicht dargestellt ist, dass der Wasserstoff über Ausnehmungen
in der Begrenzungsplatte 3 dem Zellenpaket zugeführt
wird, während die Luft die Begrenzungsplatte 4 in
den Zellenpacken hineingeführt bzw. gepumpt wird.
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2 zeigt
eine solche einzelne Zelle oder Stack 2, 2', 2'' wobei
mit 5 und 6 die Kathode und die Anode bezeichnet
sind und mit 7 die Membran oder den Elektrolyten, die zwischen
beiden Elektroden, also Kathode 5 und Anode 6 angeordnet
ist. An die Kathode 5 bzw. die Anode 6 schließt
sich die Gasverteilerplatte 8 bzw. 8' und daran
jeweils eine Bipolarplatte 9, 9' an. Alle diese
Teile finden sich in jeder Einzelzelle, womit auch deutlich wird,
dass auch alle gleichmäßig mit dem Brenngas also
dem Wasserstoff und der Luft bespült werden müssen.
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3 zeigt
eine solche Kathode 5 oder Anode 6 in Draufsicht,
wodurch die Durchströmpackungen 11 aus einer Vielzahl
von Kohleelementen 15, 16, 17 ersichtlich
ist. Diese Kohleelemente 15, 16, 17 sind
einem Stützgewerbe 18 zugeordnet, wobei die einzelnen
Kohleelemente 15, 16, 17 wie in 3a gezeigt
zu einer möglichst optimalen Durchströmpackung 11 zusammengefasst
sind. Alle diese Kohleelemente 15, 16, 17 oder
auch nur einige sind mit einem Katalysator 10 beschichtet,
der hier die gesteuerte kalte Verbrennung bzw. Oxidation von Wasserstoff
und Sauerstoff beschleunigen soll. Sowohl der Sauerstoff wie auch
der Wasserstoff werden über die mit 9, 9' bezeichneten
Bipolarplatten zugeführt, die über eine Vielzahl
von Rillen 12 verfügen.
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Noch
einmal zurück zur 3a, wo
die Kugelkohlen bzw. die Kohleelemente 15, 16, 17 vergrößert
wiedergegeben sind. Der Katalysator 10 wird in der Regel
durch einen entsprechenden Überzug 20 erreicht,
wobei aufgrund der großen Porösität der einzelnen
kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 der
Katalysator 10 auch in die einzelnen Poren eindringt. Diese
kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 sind
Aktivkohlekügelche, die gezielt so hergestellt sind, dass
sie etwa die gleichen Abmessungen und Formen aufweisen.
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3b zeigt
eine Draufsicht auf eine Kathode oder Anode 5, 6,
wobei hier in 3b eine geordnete Durchströmpackung
wiedergegeben ist, während 3c eine
solche zeigt, bei der gezielt die kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 eine
kanal- bzw. mäanderförmige Struktur 25 aufweisend
aufgebracht sind.
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Bei
der Anlage zur Verwirklichung des Verfahrens wird die Folie 22 auf
einer Trägerfolienrolle 28 aufgerollt vorgegeben
und dann der eigentlichen Anlage zugeführt. Zunächst
einmal folgt im Stütz-, Heiz- und Umlenksystem 29 eine
genaue Vorgabe für die Bearbeitungsebene und eine Vorbereitung
der Folie 22 soweit notwendig. Gleichzeitig dient die entsprechende
Rolle als Wiederlage für den bestehenden Rakel 32, über
den der von der Klebezuführung 31 aufgegebene
Kleber gleichmäßig verteilt und punktförmig
auf die Folie 22 aufgebracht wird. In welcher Form die
einzelnen Kleberpunkte angeordnet sind wird durch die rotierende
Endlosschablone 30 vorgegeben, die eben eine genauere Vorgabe
der Kleberpunkte ermöglicht.
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Nach
Durchlaufen des Stütz-, Heiz- und Umlenksystems 29 wird
in einer Fixier-, Meß- und Prüfstation 33 überprüft,
ob die Kleberzuführung auch genau wie vorgesehen erfolgt
ist. Im nachgeordneten Streuaggregat 34 erfolgt dann das
Aufbringen der Kugelkohle, wobei dies ergänzend dadurch
kenntlich gemacht ist, dass ein durchgehender schwarzer Strich gezeigt
ist. Da über das Streuaggregat 34 zwar etwa die
notwendige Menge an Kugelkohle dosiert zugegeben wird, ist nicht
zu vermeiden, dass nicht alle diese Kugelkohle benötigt
wird. Daher ist eine Absaugung 35 vorgesehen, die auch
dafür sorgt, dass die auf den Kanälen 25 lose
aufliegende Kugelkohle mit entfernt und damit diese vorgegebenen
Kanäle genau frei bleiben.
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In
der nachgeordneten Fixier-, Mess- und Prüfstation 36 wird
noch einmal festgestellt, ob die Folie die notwendige Kohlebeschichtung
aufweist. Soweit es sich um den Elektrolyten handelt, der hier beschichtet
wird, würde gleichzeitig oder im Anschluss daran auch von
unten die Beklebung und dann Beschichtung erfolgen. Mit 37 ist
die Aufwickelstation bezeichnet. Soweit die Verarbeitung nicht zufrieden
stellend erfolgt ist oder von unten her noch eine Beschichtung notwendig
ist, erfolgt über 38 und 45 eine Überprüfung
und Zusatzbeschichtung in der Nachbearbeitung 45.
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Bei 5 ist
eine Anlage gezeigt, die im Wesentlichen der nach 4 entspricht.
Hier werden allerdings Keramikplatten 23 verarbeitet, die
zunächst einmal zu vereinzeln sind. Diese einzelne Keramikplatte 23 gelangt
dann vom Plattenspeicher 41 über das Transportsystem 42 zum
Stütz-, Heiz- und Umlenksystem 29. Die Keramikplatte 23 wird
punktförmig mit Kleber über die Kleberzuführung 31 und
den stehenden Rakel 32 versehen, wobei die rotierende Endlosschablone 30 für
die genaue Anordnung der Rapporte 39 Sorge trägt.
Nach Durchlaufen der gesamten Anlage werden die fertigen Keramikplatten 23 dem Ablagestapel 43 zugeführt,
gegebenenfalls nach Umwenden und Ergänzen der Beschichtung. Die
Wendevorrichtung ist mit 44 versehen. Auch hier kann eine
Nachbehandlung bzw. Nachbearbeitung 45 erfolgen, wobei
mit 38 das Bild der Kleberpunkte wiedergegeben ist.
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6 schließlich
zeigt eine Trägerfolie 40, die mit immer gleichen
Rapport 39, 39' versehen ist. Auf den Rapports
erkennbar sind die kanal- bzw. mäanderförmigen
Strukturen 25. Die Schichtdicke der einzelnen Kohlekugeln
kann durch die Kugeldurchmesser und mehrfachen Kohleauftrag je nach
Erfordernis variiert werden.
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Die
vorliegende und durch die genannten Figuren erläuterte
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Kugelkohle,
die hier zum Einsatz kommt, große Oberflächen
vorgegeben sind, und zwar auch wenn zur Unterstützung eine
bestimmte Katalysatorschicht auf die Kugelkohle erst aufgebracht
wird. Die Kugelkohle ist elektrisch leitfähig. Durch die
Stapellücken ergeben sich automatisch eine vorteilhafte
Strömungsmechanik und dies auch dann, wenn wie nach 7 zunächst
einmal die einzelnen kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 auf der
Elektrolytfolien 27 dicht bei dicht angeordnet sind. Durch
das anschließende Tränken mit Elektrolytflüssigkeit
ergeben sich dann nach der rechten Darstellung nach 7 automatisch
vorteilhafte Strömungskanäle 26, 26',
durch die die Prozessmedien so strömen können,
dass die angestrebte Wirkung optimal erreicht wird. Die gesamte
Herstellung und Darstellung dieser Elektroden in Form von Kathode 5 und Anode 6 sowie
letztlich auch der Elektrolytmembran 7 ermöglicht
es, entsprechende Brennstoffzellen 1 nach einem serientauglichen
Verfahren herzustellen. Damit verbunden sind erhebliche technische
und wirtschaftliche Vorteile.
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8 zeigt
eine erste Variante, wie eine Zelle 2, 2' aufgebaut
sein kann. Die die einzelnen Zellen begrenzenden Bipolarplatten 9, 9', 9'' sind
mit den Zu- und Abführungen für die Prozessmedien
ausgerüstet, und zwar in Form hier nicht gesondert gekennzeichneter
Kanäle auch für die Kühlmedien. Die zwischen
zwei Zellen 2, 2' angeordnete Bipolarplatte ist dabei
so ausgebildet, dass sie beide Zellen 2, 2' entsprechend
mit dem Prozessmedien versorgt. Zwischen zwei solcher Bipolarplatten 2, 2' und
auch 2, 2'' sind als Katalysatoren die Anode 6 und
die Kathode 5 angeordnet, wobei diese Anode 6 und
Kathode 5 als mit Kohlenstaub versetzte textile Schichten
ausgebildet und die damit auch sehr zweckmäßig
herzustellen sind. Die Elektrolytmembranoberfläche 48 wird
entsprechend mehr oder weniger strukturiert ausgebildet, wobei es
sich hier um eine keramische oder mit Elektrolytflüssigkeit
getränkte Folie handelt, oder aber eben entsprechende Elektrolytplatten.
Die Elektrolytmembran ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen.
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Nach 9 ist
die zwischen den Zellen 2, 2' ausgebildete Bipolarplatte 9' wiederum
so ausgebildet, dass in ihr die Zu- und Abführungen der
Prozessmedien integriert sind, und zwar in Form von Kanälen auch
für die Kühlmedien. Die Pole mit den in Reihe geschalteten
Zellen 2, 2' sind ebenfalls in die Bipolarplatten
integriert. Die mit Kohlekugeln beschichteten Elektrolytmembranoberfläche
ist beidseitig mit kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 beschichtet
und die Katalysatoren in Form der Kathode 5 und Anode 6 sind
dicht entsprechend angeformt, wodurch sich günstige Baumaße
ergeben. Beide Zellen 2, 2' sind gleich aufgebaut
und wie schon erwähnt über die gemeinsame Bipolarplatte 9, 9' voneinander
getrennt.
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10 zeigt
den Aufbau einer Brennstoffzelle 1, hier dargestellt anhand
von zwei nebeneinander angeordneten Zellen 2, 2',
wobei bei der Zelle 2 die Bipolarplatten 9, 9', 9'' im
Aufbau denen nach 9 entsprechen. Dies bedeutet,
dass in der mittleren Bipolarplatte 9' die Zu- und Abführungen
der Prozessmedien integriert sind in Form entsprechender Kanäle.
Bei den Katalysatoren in Form der Kathode und auch der Anode 5, 6 sind
die Kohlekugeln bzw. die kugelförmigen Kohleelemente 15, 16, 17 auf
separat beschichteten Trägerfolien 49, 50 angeordnet.
Die Elektrolytmembran 7 ist als Keramikplatte oder mit Elektrolytflüssigkeit
getränkte Folie verwirklicht. Bei der Elektrolytmembran
ist eine mit Kohle beschichtete zusätzliche Trägerfolie
vorgeschlagen und nicht eine beidseitig beschichtete Elektrolytmembran.
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Als
Variante ist dann bei 10 ergänzend vorgeschlagen,
die Elektrolytmembran 6, 7' einseitig mit kugelförmigen
Kohleelementen 15, 16, 17 zu beschichten
und auf der anderen Seite eine mit Kohle beschichtete separate Trägerfolie 50/5 als
Katalysatorschicht einzusetzen. Dies ist in der Zelle 2' verwirklicht.
Der Aufbau dieser separaten Trägerfolie entspricht der
der Folie 49/5.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführung einer Zellenkombination 2, 2' zeigt 11.
Hierbei sind die Bipolarplatten zu Polplatten bzw. Polkatalysatoren 52, 53 verändert.
Diese Polplatten bzw. Polkatalysatoren 52, 53 können
mit Stromfahnen 56, 57 versehen werden. Die Zellelemente 2, 2' können
dann einzeln verschaltet und angesteuert werden, sowie nach Bedarf
in Reihe oder parallel geschaltet werden. Diese Polkatalysatoren 52, 53 sind
als biegsame, wickelfähige Folien ausgebildet, die elektrisch leitend
sind. Einseitig sind diese Folien mit Kohle als Katalysatorfläche
beschichtet. Die Polkatalysatoren 51, 53 sind
mit Öffnungen versehen, um für die Prozessmedien
einen Zugang zur Katalysatoroberfläche zu schaffen.
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Die
Katalysatoren bestehen hier eigentlich nur aus den kugelförmigen
Kohleelementen 15, 16, 17 auf den Polkatalysatoren 52, 53.
Als Elektrolytmembran dienen keramische Platten oder mit Elektrolytflüssigkeit
getränkte Folien 7. Entsprechend dem Aufbau sind
die Polkatalysatoren 52, 53 zusätzlich
mit dem Bezugszeichen 5 und 6 versehen. Zwischen
den einzelnen Zellen 2, 2' ist eine Isolierfolie 54, 55 vorgesehen,
die mit Öffnungen bzw. Durchbrüchen versehen sind,
die als Strömungskanäle für Prozess-
und Kühlmedien dienen.
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Als
besonderer Vorteil dieser Ausbildung nach 11 ist
zu nennen, dass die eigentliche Elektrolytmembran ohne Kohlebelag
optimiert werden kann. Die Bipolarplatte 9, 9' ist
hier eine „einfache" Polplatte, die als solche genutzt
werden kann und die mit einem preiswerten großtechnischen
Verfahren „von der Rolle" zu fertigen ist. Sie wird mit
den kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17,
die entsprechend aufgebracht werden, dann zum Polkatalysator 52, 52'.
Weiter ist von Vorteil, dass hier jede beliebige Verschaltung möglich
ist und insbesondere bei Ausfall einer der Zellen 2, 2', 2'' problemlos
die gesamte Brennstoffzelle 1 weiterbetrieben werden kann,
weil nur eine entsprechende Umschaltung notwendig ist, nicht aber
die Entsorgung der gesamten Brennstoffzelle 1.
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12 schließlich
zeigt eine Anlage, mit der entsprechende Folien 22 und
auch Keramikplatten 23 hergestellt werden können,
und zwar solche, die auf beiden Seiten, d. h. auf der Vorderseite 60 und der
Rückseite 59 mit kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 beschichtet
werden können. Die Vorderseite 60, hier die untere
Seite, ist bereits mit einer Kohlebeschichtung bzw. einem Rapport 39 versehen.
Es geht hier bei der gezeigten Anlage nun darum, auch die bisherige
Unterseite oder Rückseite 59 auch noch mit einer
entsprechenden Beschichtung bzw. einem Rapport zu versehen. Durch
erneutes Abwickeln der Folie 22 bzw. der Elektrolytmembran kann
mit der hier gezeigten Anlage eine zweite Kohleschicht 39'' auf
die Rückseite 59 aufgetragen werden. Durch die
Synchronisierung des Folienvorschubes und der rotierenden Endlosschablone 30 werden die
Nutzen bzw. Rapporte 39 von der Vorder- und Rückseite 60, 59 deckungsgleich
aufgetragen.
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Entsprechend
wird mit keramischen Elektrolytplatten bzw. Keramikplatten 23 verfahren,
die in einem zweiten Beschichtungsgang auf der Rückseite mit
Kohle beschichtet werden können, indem die kugelförmigen
Kohleelemente 15, 16, 17 durch geeignete
Synchronisation von Plattenvorschub und Schablonendrehung deckungsgleich
mit der Vorderseite 60 aufgetragen werden. Bei der in 12 gezeigten Ausführung
der Anlage kann gleichzeitig auch eine Trägerschicht 62,
die elastisch und welch ausgebildet ist, unter der Folie 22 geführt
und auf die Oberseite der bereits aufgebrachten Rapporte 39 aufgebracht werden,
so dass diese vorteilhaft geschützt sind. Die Trägerschicht 62 wird
hierzu von einer Reserverolle 63 abgerollt bzw. gezielt
geführt und an die Oberseiten der schon aufgebrachten Rapporte 39, 39' aufgelegt.
Diese Reserverolle 63 ist ähnlich wie die Stützrollen 65, 66 aufgebaut
und angeordnet, nur dass bei der Reserverolle 63 auch bei
Bedarf die Trägerschicht 62 mit abgerollt werden
kann oder wie hier dargestellt auch nur angefügt werden
kann.
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Mit 67 ist
die Aufnahmerolle bezeichnet, die die Folie 22 aufgenommen
hat, die bereits einseitig mit Rapporten 39 versehen ist.
Hierzu wird, wie auch im ersten Beschichtungsvorgang über
die rotierende Endlosschablone 30 mit der Kleberzuführung 31 und dem
stehenden Rakel 32 zunächst einmal eine Kleberschicht 68 aufgebracht,
deren Zustand über die Fixier-, Meß- und Prüfstation 33 überprüft
und dann durch eine Schicht von kugelförmigen Kohleelementen 15, 16, 17 über
das Streuaggregat 34 abgedeckt wird. Indem dann in der
nachfolgenden Absaugung 35 die überflüssigen
kugelförmigen Kohleelemente entnommen werden, ergibt sich
dann der genaue Rapport 39'', dessen Lage, so wie vorgesehen,
in der nachfolgenden Nachbearbeitung 45 gegebenenfalls noch
mal überprüft wird.
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Alle
genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden,
werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 1672679
A1 [0002]
- - EP 0490808 A1 [0002]
- - DE 19600237 A1 [0006]
- - DE 20121506 U1 [0006]