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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, wobei mehrere Komponenten zur Membran-Elektroden-Anordnung zusammengefügt werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus der
EP 1 766 713 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer integrierten Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst eine Ionenaustauschmembran, mindestens eine Gasdiffusionsschicht, mindestens eine auf der Gasdiffusionsschicht und/oder der Ionenaustauschmembran abgeschiedene Katalysatorschicht und mindestens ein Schutzfilmmaterial. Die Ionenaustauschmembran, die mindestens eine Gasdiffusionsschicht, die mindestens eine Katalysatorschicht und das mindestens eine Schutzfilmmaterial werden in einem Laminierungsprozess miteinander verbunden. Während des Laminierungsprozesses werden die Komponenten auf eine Temperatur im Bereich von 20°C bis 250°C erhitzt und durch Ausüben einer Laminierkraft mit einem als Walzenpaar ausgebildeten Paar von Rotationskörpern laminiert, wobei ein Lufteinlassdruck, um mindestens einen als Walze ausgebildeten Rotationskörper unter Druck zu setzen, im Bereich von 1 bar bis 3,5 bar liegt. Zur Erhitzung der Komponenten ist eine Heizzone vorgesehen. Die Heizzone ist aus einer unteren und einer oberen Heizplatte gebildet, welche in Verfahrensrichtung vor dem Walzenpaar angeordnet sind. Zu einer anschließenden Kühlung der Komponenten ist eine Kühlzone vorgesehen, welche aus einer unteren und einer oberen Kühlplatte gebildet ist, die in Verfahrensrichtung nach dem Walzenpaar angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle und eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, wobei mehrere Komponenten zur Membran-Elektroden-Anordnung zusammengefügt werden, werden erfindungsgemäß in einem ersten Verfahrensabschnitt zumindest ein erstes Rahmenmaterial und ein zweites Rahmenmaterial als Rollenware vorverarbeitet und bereitgestellt, wobei in einem zweiten Verfahrensabschnitt zwischen dem ersten Rahmenmaterial und dem zweiten Rahmenmaterial zumindest eine Ionenaustauschmembran laminiert und ein Laminat gebildet wird und wobei in zumindest einem dritten Verfahrensabschnitt das Laminat als Rollenware weiterverarbeitet wird.
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Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise durch Bereitstellung der Rahmenmaterialien als Rollenware und Laminierung der Komponenten in einem Heißpressverfahren und Weiterverarbeitung des daraus resultierenden Laminats als Rollenware die Möglichkeit einer kontinuierlichen und/oder getakteten Herstellung der Membran-Elektroden-Anordnung in zumindest einem oder mehreren der Verfahrensabschnitte. Unter den Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung werden insbesondere eine Ionenaustauschmembran, eine Gasdiffusionsschicht, eine Katalysatorschicht und/oder ein Rahmen verstanden. Die Ionenaustauschmembran ist bevorzugt mit zumindest einer Katalysatorschicht versehen. Dabei ist eine einfache Handhabung der Komponenten durch einen integrierten Transport der Komponenten als Rollenmaterial bzw. Rollenware in und/oder auf einem Band, einem Werkzeug, einem Werkstückträger und/oder mittels einer Handhabungseinrichtung, auch Handlingeinrichtung genannt, möglich.
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Weiterhin sind unterschiedliche Applikationspositionen und Applikationstechniken, insbesondere eine so genannte ”Nass-in-Nass-Applikation”, zum Aufbringen der Membran-Elektroden-Anordnung auf ein weiteres Bauteil realisierbar.
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Aufgrund der kontinuierlichen Durchführung mehrerer Verfahrens- oder Arbeitsschritte der Herstellung ist die Herstellungszeit verringert. Insbesondere werden lange Beladezeiten der Vorrichtung mit den Komponenten und lange Laminierzeiten vermieden.
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Ferner ist es möglich, die Membran-Elektroden-Anordnung und Brennstoffzellenbauteile mit einer geringen Anzahl an Arbeitsschritten und einer Verringerung manueller Arbeitsschritte herzustellen. Somit ist es möglich, den Herstellungsaufwand und die Herstellungszeit der Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzellen und der Brennstoffzelle selbst zu vermindern. Dabei sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens fluiddichte Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung erzeugbar, welche zur Gasabdichtung der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer Bipolarplatte und zu einem aktiven Bereich der Brennstoffzelle hin sowie zur Gasabdichtung eines ionenleitfähigen Bereichs einer Ionenaustauschmembran der Membran-Elektroden-Anordnung dienen. Aufgrund der Erzeugung dieser Dichtelemente anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in einfacher Weise Kombinationen mit anderen Dichtkonzepten und die Herstellung der Dichtelemente mit verschiedenen Werkstoffen möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle,
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2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht,
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3 schematisch eine erste Transporteinheit der Vorrichtung gemäß 2 in einer Seitenansicht und
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4 schematisch eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen einer zweiten Gasdiffusionsschicht.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Herstellung einer in 2 näher dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung MEA für eine nicht gezeigte Brennstoffzelle dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Transporteinheit 2 zum Transport eines ersten Substrats, wobei das erste Substrat ein erstes Rahmenmaterial R1 für die Membran-Elektroden-Anordnung MEA ist. Die erste Transporteinheit 2 umfasst drei Transportrollenpaare 3 bis 5 zum Transport des ersten Rahmenmaterials R1.
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Auf das erste Rahmenmaterial R1 ist zumindest auf einer Oberseite ein mittels Erwärmung aktivierbarer Klebstoff K, ein so genannter Adhesive oder Heißkleber, aufgebracht.
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In Transportrichtung nach dem ersten Transportrollenpaar 3 ist eine Schnitteinheit 6 angeordnet, mittels welcher in einem ersten Verfahrensabschnitt aus dem Rahmenmaterial R1 ein mittlerer Ausschnitt A1 ausgeschnitten wird, in welchem ein aktiver Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung MEA ausgebildet wird. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen sind weitere Schnitteinheiten vorgesehen.
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Nach der Schnitteinheit 6 ist eine Heizeinheit 7 angeordnet, mittels welcher im ersten Verfahrensabschnitt das erste Rahmenmaterial R1 in einem Bereich B1, welcher den ersten Ausschnitt A1 vollständig umgibt, erwärmt und somit vorverarbeitet wird. Dabei wird der Klebstoff K in diesem Bereich B1 aktiviert. In nicht näher dargestellten Weiterbildungen sind weitere Heizeinheiten zur Aktivierung des Klebstoffes K vorgesehen. Das erste Rahmenmaterial R1 wird anschließend für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt.
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Nach der Heizeinheit 7 ist eine Zuführeinheit 8 angeordnet, mittels welcher im ersten Verfahrensabschnitt eine Ionenaustauschmembran I auf das erste Rahmenmaterial R1 derart aufgebracht wird, dass der mittlere Ausschnitt A1 des ersten Rahmenmaterials R1 vollständig mit der Ionenaustauschmembran I abgedeckt ist. Die Ionenaustauschmembran I ist bevorzugt bereits mit zumindest einer Katalysatorschicht versehen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine zweite Transporteinheit 9 zum Transport eines zweiten Substrats, wobei das zweite Substrat ein zweites Rahmenmaterial R2 für die Membran-Elektroden-Anordnung MEA ist. Die zweite Transporteinheit 9 umfasst zwei Transportrollen 10, 11 zum Transport des zweiten Rahmenmaterials R2.
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Auf das zweite Rahmenmaterial R2 ist in einer Vorverarbeitung zumindest auf einer Oberseite ein mittels Erwärmung aktivierbarer Klebstoff K aufgebracht, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl auf das erste Rahmenmaterial R1 als auch auf das zweite Rahmenmaterial R2 der gleiche Klebstoff K aufgebracht ist. Alternativ sind auf die Rahmenmaterialien R1, R2 unterschiedliche Klebstoffe K aufgebracht.
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In Transportrichtung nach der ersten Transportrolle 10 ist eine weitere Schnitteinheit 12 angeordnet, mittels welcher im ersten Verfahrensabschnitt aus dem zweiten Rahmenmaterial R2 ein mittlerer Ausschnitt A2 ausgeschnitten wird, in welchem der aktiver Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung MEA ausgebildet wird. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen sind weitere Schnitteinheiten vorgesehen.
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Nach der weiteren Schnitteinheit 12 ist eine weitere Heizeinheit 13 angeordnet, mittels welcher im ersten Verfahrensabschnitt das zweite Rahmenmaterial R2 in einem Bereich B2, welcher den ersten Ausschnitt A1 vollständig umgibt, erwärmt und weiter vorverarbeitet wird. Dabei wird der Klebstoff K in diesem Bereich B2 aktiviert. In nicht näher dargestellten Weiterbildungen sind weitere Heizeinheiten zur Aktivierung des Klebstoffes K vorgesehen.
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Anschließend wird das zweite Rahmenmaterial R2 derart mittels der zweiten Transportrolle 11 und dem zweiten Transportrollenpaar 4 umgelenkt und für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt, dass es mit seiner Oberseite auf die Oberseite des ersten Rahmenmaterials R1 und mit dem Bereich B2 exakt über einem Randbereich der Ionenaustauschmembran I positioniert wird.
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Nach dem zweiten Transportrollenpaar 4 ist eine Laminiereinheit 14 angeordnet, mittels welcher das erste Rahmenmaterial R1, das zweite Rahmenmaterial R2 und die zwischen diesen angeordnete Ionenaustauschmembran I unter Zuführung einer Presskraft miteinander laminiert werden, wodurch ein Laminat L gebildet wird. Die Laminiereinheit 14 ist als Rollenpresse, Bandpresse und/oder Plattenpresse ausgebildet. In einer Ausgestaltung werden die Rahmenmaterialien R1, R2 und/oder die Ionenaustauschmembran I während der Laminierung zumindest bereichsweise erwärmt und/oder gekühlt. In einer nicht dargestellten Ausgestaltung sind zusätzliche Laminiereinheiten in Transportrichtung hinter der Laminiereinheit 14 zur Laminierung angeordnet.
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Nach der Laminiereinheit 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kühleinheit 15 angeordnet, mittels welcher das Laminat L gekühlt wird. Alternativ sind mehrere Kühleinheiten vorgesehen.
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Nach der Kühlung wird das aus erstem Rahmenmaterial R1, Ionenaustauschmembran I und zweitem Rahmenmaterial R2 gebildete Laminat L in einem dritten Verfahrensabschnitt als Rollenware mittels der ersten Transporteinheit 2 weitertransportiert, wobei als Rollenware das erste Substrat, d. h. das erste Rahmenmaterial R1, dient.
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Im dritten Verfahrensabschnitt wird weiterhin aus der Rollenware ein Bauteil BT1 vereinzelt. Hierzu ist eine weitere Schnitteinheit 16 vorgesehen, mittels welcher die laminierten Komponenten aus der Rollenware geschnitten werden. In einer nicht dargestellten Ausführung werden die laminierten Komponenten als Rollenware zur Durchführung alternativer Prozesse weitertransportiert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgen der Transport, der Zuschnitt und die Laminierung kontinuierlich. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine zumindest in einzelnen Verfahrensabschnitten getaktet durchgeführte Verarbeitung möglich.
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Die während der Verarbeitung der Komponenten mittels der Transporteinheiten 2, 9, der Schnitteinheiten 6, 12, 16, der Heizeinheiten 7, 13, der Kühleinheit 15, der Zuführeinheit 8 und der Laminiereinheit 14 erzeugten Parameter sind variabel einstellbar. Die Parameter umfassen insbesondere eine Temperatur, einen Druck bzw. die Presskraft, eine Geschwindigkeit sowie Verweildauern innerhalb der genannten Werkzeuge der Vorrichtung 1. Somit sind die Parameter an unterschiedliche Anwendungen anpassbar.
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In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Transport der Rahmenmaterialien R1, R2 und der Ionenaustauschmembran I auf Transportfolien möglich. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass zwischen den Werkzeugen der Vorrichtung 1, d. h den Transporteinheiten 2, 9, den Schnitteinheiten 6, 12, 16, den Heizeinheiten 7, 13, der Kühleinheit 15, der Zuführeinheit 8 und/oder der Laminiereinheit 14 und den mittels dieser Werkzeuge bearbeiteten Rahmenmaterialien R1, R2 und der Ionenaustauschmembran I Trennfolien angeordnet sind und/oder ein Trennmittel auf die Komponenten aufgebracht ist, um während der Bearbeitung Anhaftungen der Komponenten an den Werkzeugen zu vermeiden.
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Sowohl die einzelnen Komponenten als auch das aus diesen erzeugte Bauteil BT1 werden formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig vor, während und/oder nach einer Zuführung zur Vorrichtung 1 und/oder einem Werkzeug der Vorrichtung 1, vor, während und/oder nach dem Laminieren und/oder einer Entnahme aus der Vorrichtung 1 und/oder einem Werkzeug der Vorrichtung 1 fixiert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Im Unterschied zum in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Zuführeinheit 8 derart ausgebildet, dass die Ionenaustauschmembran I im ersten Verfahrensabschnitt als Rollenware verarbeitet wird. Hierzu umfasst die Zuführeinheit 8 eine Schnitteinheit 8.1, mittels welcher die Ionenaustauschmembran I aus der Rollenware vereinzelt wird.
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Nach der Vereinzelung wird die Ionenaustauschmembran I mittels einer ersten Handhabungseinheit 17, welche beispielsweise als Roboter ausgebildet ist, im ersten Verfahrensabschnitt auf das mittels der Heizeinheit 7 zumindest im Bereich B1 erwärmte Rahmenmaterial R1 aufgebracht und angepresst.
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Weiterhin wird im Unterschied zum in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel das zweite Rahmenmaterial R2 im ersten Verfahrensabschnitt nach der Erwärmung aus der Rollenware mittels einer weiteren Schnitteinheit 18 vereinzelt und mittels einer zweiten Handhabungseinheit 19, welche ebenfalls vorzugsweise als Roboter ausgebildet ist, im zweiten Verfahrensabschnitt auf das erste Rahmenmaterial R1 und die auf dieses aufgebrachte Ionenaustauschmembran I aufgebracht und angepresst. Somit liegen die Rahmenmaterialien R1, R2 und die Ionenaustauschmembran I im miteinander laminierten Zustand als Laminat L vor und werden gemeinsam als Rollenware des Laminats L mittels der ersten Transportvorrichtung 2 weitertransportiert. Dabei kann das Rahmenmaterial R2 bei der Vereinzelung, d. h. dem Zuschnitt, derart dimensioniert werden, dass es nach der Vereinzelung die gleiche Außenkontur bzw. Dimension wie das spätere Rahmenmaterial R1 aufweist, oder alternativ eine andere Außenkontur bzw. Dimension wie das spätere Rahmenmaterial R1 aufweist, insbesondere kleiner als das spätere Rahmenmaterial R1 ist.
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Parallel zu der Vereinzelung des zweiten Rahmenmaterials R2 und dem Aufbringen desselben auf das erste Rahmenmaterial R1 und die Ionenaustauschmembran I wird mittels einer Bearbeitungseinheit 20 eine erste Gasdiffusionsschicht G1 als Rollenware verarbeitet. Bei dieser Verarbeitung wird ein Klebstoff K auf die erste Gasdiffusionsschicht G1 aufgebracht. Hierzu wird der Klebstoff K von einem Substrat S, welches mittels zwei Antriebsrollen 20.1, 20.2 ab- und aufgewickelt wird, mittels einer Heizeinheit 20.3 gelöst und unter Aufbringen einer Presskraft auf die erste Gasdiffusionsschicht G1 übertragen. Zusätzlich können weitere Heizeinheiten vorgesehen sein. Als Klebstoff K wird dabei der gleiche Klebstoff K verwendet, welcher auf die Rahmenmaterialien R1, R2 aufgebracht ist. Anschließend wird die mit dem Klebstoff K versehene erste Gasdiffusionsschicht G1 mittels einer Schnitteinheit 20.4 vereinzelt.
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Nach der Vereinzelung der ersten Gasdiffusionsschicht G1 wird diese im dritten Verfahrensabschnitt mittels einer dritten Handhabungseinheit 21, welche vorzugsweise als Roboter ausgebildet ist, auf das zweite Rahmenmaterial R2 unter Erzeugung einer Presskraft aufgesetzt, wobei der aufgebrachte Klebstoff K zum ersten Rahmenmaterial R1 hin gerichtet ist.
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Nach dem Aufbringen der ersten Gasdiffusionsschicht G1 wird das Bauteil BT1 mittels der Schnitteinheit 16 aus der Rollenware des Laminats L vereinzelt. Das Bauteil BT1 bildet dabei die Membran-Elektroden-Anordnung MEA.
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Zusätzlich sind weiterhin in nicht näher dargestellter Weise weitere Heizeinheiten und/oder Kühleinheiten zur Erwärmung und/oder Kühlung der Komponenten und/oder des Bauteils BT1 an beliebigen Positionen innerhalb der Vorrichtung 1 vorgesehen.
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Ferner sind alle Parameter während der dargestellten Bearbeitung der Komponenten innerhalb der Vorrichtung 1 variabel vorgebbar. Die Parameter umfassen Temperatur, Druck bzw. Presskraft, Geschwindigkeit sowie Verweildauern innerhalb der genannten Werkzeuge der Vorrichtung 1.
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In nicht näher dargestellter Weise ist das gezeigte Aufbringen der ersten Gasdiffusionsschicht G1 auch in das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 gemäß 1 integrierbar.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgen der Transport, der Zuschnitt, die Handhabung und die Laminierung der Komponenten und des aus diesen erzeugten Bauteils BT1 getaktet. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine zumindest in einzelnen Verfahrensabschnitten kontinuierlich durchgeführte Verarbeitung möglich.
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In 3 ist schematisch die erste Transporteinheit 2 der Vorrichtung 1 gemäß 2 in einer Seitenansicht dargestellt.
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4 zeigt eine Anordnung 22 der Vorrichtung 1 zum Aufbringen einer zweiten Gasdiffusionsschicht G2.
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Die Anordnung 22 umfasst eine Bearbeitungseinheit 23 zur Bearbeitung der als Rollenware vorliegenden zweiten Gasdiffusionsschicht G2. Der Aufbau der Bearbeitungseinheit 23 gleicht dem der Bearbeitungseinheit 20, wobei die Bearbeitungseinheit 23 ebenfalls zwei Antriebsrollen 23.1, 23.2, eine Heizeinheit 23.3 und eine Schnitteinheit 23.4 zur Übertragung des Klebstoffes K auf die zweite Gasdiffusionsschicht G2 und zur Vereinzelung derselben umfasst.
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Nach der Vereinzelung der zweiten Gasdiffusionsschicht G2 wird diese mittels einer insbesondere als Roboter ausgebildeten vierten Handhabungseinheit 24 unter Ausübung einer Presskraft auf die Membran-Elektroden-Anordnung MEA gemäß 2 aufgebracht, wobei die zweite Gasdiffusionsschicht G2 mit dem aufgebrachten Klebstoff K zur Membran-Elektroden-Anordnung MEA gerichtet auf eine der ersten Gasdiffusionsschicht G1 abgewandten Seite auf dem ersten Rahmenmaterial R1 aufgebracht wird.
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Alternativ wird die zweite Gasdiffusionsschicht G2 auf das mittels der Vorrichtung 1 erzeugte Bauteil BT1 gemäß des in 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiels aufgebracht.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung MEA wird zuvor auf einem drehbaren Rundtakttisch 25 angeordnet, wobei hierzu eine vorzugsweise als Roboter ausgebildete fünfte Handhabungseinheit 26 vorgesehen ist.
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Nach dem Aufbringen der zweiten Gasdiffusionsschicht G2 wird die Membran-Elektroden-Anordnung MEA mittels der fünften Handhabungseinheit 26 in einer Schnitteinheit 27 überführt, wobei diese mittels der Schnitteinheit 27 vorzugsweise auf ihr endgültiges Maß zugeschnitten wird.
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Nach diesem Zuschnitt wird die Membran-Elektroden-Anordnung MEA zur Weiterverarbeitung transportiert.
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Die folgenden Ausführungen sind auf das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 gemäß 1, das zweite Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3, die Anordnung 22 gemäß 4 sowie Kombinationen dieser anwendbar.
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Das Laminieren erfolgt alternativ mit anderen Werkzeugen, beispielsweise innerhalb geschlossener Werkzeuge, wobei die Wärmeinbringung in die Komponenten vor, während und/oder nach dem Laminieren erfolgt. Hierzu sind beliebige Anordnungen von Heiz- und/oder Kühleinheiten vorgesehen.
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Die Komponenten und/oder der Klebstoff K sind flüssig, fest und/oder pastös applizierbar oder werden als Werkstücke in die Werkzeuge der Vorrichtung 1 eingelegt. Die Applikation der Komponenten erfolgt insbesondere bei der Aufbringung des Klebstoffes K mittels Düsen und/oder Rakel. Der Klebstoff K befindet sich alternativ bereits auf einem Trägerfilm, beispielsweise einem Schutzfilm.
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Das Laminieren führt zu eigenständigen Bauteilen BT1 und/oder Verbunden, wobei bei den Verbunden die Komponenten beispielsweise mit einem Substrat verbunden sind. Das Laminieren der Komponenten erfolgt zusätzlich auf ein oder mehrere Werkstücke oder Bauteile BT1, wie beispielsweise die Membran-Elektroden-Anordnung MEA oder eine Bipolarplatte.
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Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke werden als Rolleware und/oder Einzelteile transportiert.
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Das Fertigteil, insbesondere die Membran-Elektroden-Anordnung MEA oder die auf einer Bipolarplatte aufgebrachte Membran-Elektroden-Anordnung MEA, ist auf ein weiteres Werkstück applizierbar und/oder transferierbar.
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Der Laminierprozess wird mittels zumindest einer Bandanlage, Rollenanlage und/oder Presse realisiert, wobei beliebige Kombinationen möglich sind.
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Zur Laminierung ist neben der Laminiereinheit 14 in einer Ausgestaltung zusätzlich ein nicht gezeigtes Laminierwerkzeug vorgesehen, welches aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein kann und/oder unterschiedliche Beschichtungen aufweisen kann. Das Laminierwerkzeug ist einteilig oder mehrteilig, ist unten und/oder oben befestigt und/oder geführt und/oder ist am unteren und/oder oberen Band befestigt. Das Laminierwerkzeug ist fest mit der Laminiereinheit 14 verbunden oder ist alternativ lösbar in dieser anordbar und ist somit in diese einbringbar und aus dieser ausbringbar. Dabei ist das Laminierwerkzeug leer, teilweise oder vollständig gefüllt. Es sind beliebige Kombinationen möglich. Das Laminierwerkzeug ist dabei insbesondere mittels einer Handhabungseinheit führbar. Vorzugsweise weist das Laminierwerkzeug eine Formgebung auf, wobei auch bei einer Ausbildung als Band dieses eine Formgebung ganz oder teilweise beinhalten kann.
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Bei einer einseitigen Ausführung des Laminierwerkzeugs ist ein Gegenwerkzeug vorgesehen, welches als Band, Rolle und/oder Platte ausgebildet ist. Die zu laminierenden Komponenten werden manuell und/oder automatisch von oben in das Laminierwerkzeug eingebracht. Dieses Einbringen erfolgt mittels Düsen, Rakel und/oder als fertiges Bauteil. Eine Bewegung des Laminierwerkzeugs ist getaktet und/oder kontinuierlich.
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Nach der Applikation in das Laminierwerkzeug und/oder nach dessen Weiterbewegung wird die Laminierung durchgeführt. Hierzu ist insbesondere eine Laminierform vorgesehen, welche als Platte, Band, Rolle und/oder weiteres, insbesondere korrespondierendes Laminierwerkzeug ausgebildet ist. Die Laminierform ist von einer Pressvorrichtung verpressbar. Die während der Laminierung erzeugten Prozessparameter, wie Temperatur, Druck, Presskraft, Zeit, Verweildauer usw. sind variabel vorgebbar, insbesondere einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar.
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Die Form des Laminierwerkzeugs und/oder der Laminierform entspricht vorzugsweise ganz und/oder teilweise der Form der zu erzeugenden Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke. Auch mehrere Formen und beliebige Kombinationen sind möglich.
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Dabei werden Laminierkammern von ein oder mehreren Bändern, Rollen, Platten, Werkzeugen und/oder beliebigen Kombinationen davon gebildet. Innerhalb der Laminierkammern binden, trocknen und/oder härten die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke teilweise oder vollständig, wobei hierbei Parameter, wie z. B. Zeit, Druck, Temperatur, UV-Strahlung usw., einstellbar sind.
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Werden zwei oder mehrere Werkzeuge verwendet, werden diese auf- und/oder nebeneinander angeordnet, wobei die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke in und/oder auf den Werkzeugen kraft-, stoff- und/oder formschlüssig fixierbar sind. Die Fixierung erfolgt mechanisch, chemisch, pneumatisch und/oder magnetisch und bevorzugt über unterschiedliche Haftbedingungen. Hierzu sind die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke dicht und/oder porös ausgebildet, wobei die Fixierung vor, während und/oder nach der Laminierung erfolgt.
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Alle Werkzeuge der Vorrichtung 1 können eine oder mehrere Heizzonen und/oder Kühlzonen zur Erwärmung und/oder Kühlung der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke aufweisen, wobei die Heizzonen und/oder Kühlzonen in die Werkzeuge integriert und/oder auf diese aufgesetzt sind. Die Erwärmung und/oder Kühlung erfolgen alternativ oder zusätzlich in einem Ofen, einer Kammer, einem Tunnel und/oder ähnlichen Räumen, wobei hierzu vorzugsweise die gesamte Laminiereinheit 14 innerhalb des jeweiligen Raumes angeordnet ist.
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Die Erwärmung erfolgt elektrisch, induktiv, konvektiv, mittels Strahler und/oder weiteren Techniken.
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Die Kühlung erfolgt als Kontaktkühlung, über Kühlmedien und/oder konvektiv.
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Es sind beliebige Heiz- und/oder Kühlkombinationen möglich.
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Auch ist alternativ oder zusätzlich während der Laminierung mittels weiterer Einrichtungen ein Vakuum und/oder ein Überdruck erzeugbar, wobei eine Oberfläche der Werkzeuge zur Kühlung, Erwärmung und/oder zur Erzeugung des vorgegebenen Luftdruckes entsprechend ausgebildet ist.
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Um ein Anhaften der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke an den Werkzeugen zu vermeiden, sind ein oder mehrere gleiche und/oder unterschiedliche Trennmittel vorgesehen. Die Trennmittel sind als Trennfolie und/oder Transportfolie und/oder andere Trenneinrichtung ausgebildet.
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Die Trennfolien trennen einen Laminierwerkstoff, insbesondere den Kleber K, sowie die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke vom jeweiligen Werkzeug, wobei die Trennfolie ab- und aufgewickelt wird oder umlaufend ausgebildet ist. Je nach Anforderungen ist die Transport- und/oder Trennfolie starr oder mechanisch flexibel ausgebildet. Bei der Ausbildung der Folie als Transport- und Trennfolie ist diese als Trägerband ausgebildet, mittels welchem die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke innerhalb und gegebenenfalls außerhalb der Vorrichtung 1 transportierbar sind. Insbesondere sind auch das Band, die Rolle und/oder die Platte mit einer Trennfolie geschützt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Transport- und/oder Trennfolien aus sandwichartigen Materialien gebildet, wobei eine den Komponenten, Bauteilen, Verbunden und/oder Werkstücken zugewandte Seite vorzugsweise glatt und fest und die verbleibende Seite aus einem weichen Material gebildet ist. Die Trennfolie kann auch als Transportfolie weiterverwendet werden.
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Ein Transfer der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke erfolgt kontinuierlich oder getaktet. Die Applikation bzw. der Transfer wird durch die Erzeugung von Druck und/oder vorgegebenen Temperaturen unterstützt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke während des Transfers eine vorgegebene Restfeuchte auf, d. h. die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke sind nicht vollständig getrocknet. Daraus resultiert eine verbesserte Haftung der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke.
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In einer nicht näher dargestellten weiteren Ausgestaltung wird der Transfer mittels eines oder mehrerer Werkstoffe, insbesondere Klebstoffe K unterstützt, wobei der zumindest eine Werkstoff direkt auf die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine Werkstoff auf der Trenn- und/oder Transportfolie angeordnet und wird mittels einer während der Laminierung erzeugten Temperatur und/oder eines während der Laminierung erzeugten Drucks bzw. einer Presskraft auf die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke übertragen.
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Die Applikation des Werkstoffes kann auf unterschiedliche Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke zur Erzeugung der Membran-Elektroden-Einheit MEA und/oder der Brennstoffzelle erfolgen. Die Applikation erfolgt einzeln und/oder in Kombination auf mehrere Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke trocken, pastös und/oder nass.
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Sowohl der Transfer der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke als auch der Transfer des Werkstoffes, insbesondere Klebstoffes K auf die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke erfolgt mittels Druck bzw. der Presskraft, Temperatur und/oder chemischer Aktivierung und wird vorzugsweise mittels nicht dargestellter Trockner, UV-Strahlung, Mikrowellen und weiteren Verfahren unterstützt. Beim Transfer mehrerer Werkstoffe, insbesondere Klebstoffe K, auf unterschiedliche Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke werden die Werkstoffe gleichzeitig oder nacheinander sowie ein- und/oder beidseitig appliziert.
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In nicht näher dargestellter Weise ist es ebenfalls möglich, dass der Transfer der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke als auch der Transfer des Werkstoffes auf die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke mittels einer oder mehrerer zusätzlicher Nachapplikationseinheiten und/oder Transferkörper, beispielsweise mittels Rollen, Platten, Pressen und/oder Bändern verlängert wird, wobei der Transfer ein- oder beidseitig sowie gleichzeitig und/oder nacheinander erfolgt.
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Um den Transfer auch bei einer großen räumlichen Entfernung zwischen einzelnen Laminierschritten und/oder der verlängerten Transferdauer zu ermöglichen, sind nicht gezeigte Bänder und/oder Folienträger zum Transport der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke und/oder des Werkstoffes vorgesehen.
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Sowohl der Transfer als auch das Laminieren können auch mehrfach nebeneinander, hintereinander und/oder aufeinander erfolgen.
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In einer Weiterbildung sind nach der Laminierung weitere Transfer- und/oder Applikationsverfahren, beispielsweise Nachapplikationsverfahren wie ein Einpressen und/oder Trocknen vorgesehen. Zur Durchführung dieser Nachapplikationsverfahren umfasst die Vorrichtung 1 in nicht dargestellter Weise zumindest eine Nachapplikationseinheit, welche insbesondere als Doppelbandpresse oder Rollenpresse oder Plattenpresse ausgebildet ist. Dabei können eine oder mehrere Formen bzw. Geometrien erzeugt werden. Es können mehrere Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke und/oder Werkstoffe nacheinander appliziert bzw. transferiert werden.
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Ferner schließen sich in einer Ausgestaltung an die Laminierung weitere Prozesse, insbesondere Montageprozesse, Stanzprozesse und/oder Schneidprozesse an, in welchen die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke mit weiteren Komponenten, Bauteilen, Verbunden und/oder Werkstücken zur Bildung der Membran-Elektroden-Einheit und/oder der Brennstoffzelle weiterverarbeitet werden.
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Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke können als Band, Einzelteile, Rollenware, Werkstücke, und/oder als Baugruppen verarbeitet werden. Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke können auch als Vorpräparate, so genannte Prepregs, verarbeitet werden. Eine Beladung und/oder Entladung der Werkzeuge der Vorrichtung 1 mit den Komponenten, Bauteilen, Verbunden und/oder Werkstücken erfolgt mittels einer oder mehrerer, insbesondere als Roboter ausgebildeter Handhabungseinheiten. Die Beladung und/oder Entladung erfolgt einzeln oder mit mehreren Komponenten, Bauteilen, Verbunden und/oder Werkstücken gleichzeitig.
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Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke werden auf einem Band, Werkzeug und/oder Werkzeugträger mechanisch, adhesiv, magnetisch und/oder pneumatisch fixiert.
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Um einen sicheren Halt der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke auf einem Band, Werkzeug und/oder Werkzeugträger sicherzustellen, werden die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke mechanisch, adhesiv, magnetisch und/oder pneumatisch fixiert. Die pneumatische Fixierung wird beispielsweise mittels Unterdruck- und/oder Überdruckspeichern und/oder anderer Vorrichtungen unterstützt und/oder verlängert. Die Fixierung kann auch mittels der Trenn- und/oder Transportfolien und/oder Fixierfolien erzeugt werden oder durch diese hindurch wirken. Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke sind zur Realisierung der Fixierung porös, dicht, magnetisch und/oder adhesiv ausgebildet. Auch sind verschiedene Bänder, Werkzeuge, Folien und/oder Komponenten miteinander kombinierbar. Alternativ zu den Werkzeugen sind Werkzeugträger einsetzbar.
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Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke sowie Substrate zu deren Transport werden vorzugsweise vor, während und/oder nach dem Laminieren erwärmt und/oder abgekühlt. Die Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke sowie Substrate zu deren Transport können vor, während und/oder nach dem Laminieren einzeln und/oder gemeinsam zugeschnitten werden.
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Ein Lösen der Komponenten, Bauteile, Verbunde und/oder Werkstücke von den Werkzeugen, Transportfolien und/oder den Substraten wird durch unterschiedliche Haftkräfte und/oder sonstige Hilfsmittel, beispielsweise Schaber, unterstützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- erste Transporteinheit
- 3 bis 5
- Transportrollenpaar
- 6
- Schnitteinheit
- 7
- Heizeinheit
- 8
- Zuführeinheit
- 8.1
- Schnitteinheit
- 9
- zweite Transporteinheit
- 10, 11
- Tranportrolle
- 12
- Schnitteinheit
- 13
- Heizeinheit
- 14
- Laminiereinheit
- 15
- Kühleinheit
- 16
- Schnitteinheit
- 17
- erste Handhabungseinheit
- 18
- Schnitteinheit
- 19
- zweite Handhabungseinheit
- 20
- Bearbeitungseinheit
- 20.1, 20.2
- Antriebsrolle
- 20.3
- Heizeinheit
- 20.4
- Schnitteinheit
- 21
- dritte Handhabungseinheit
- 22
- Anordnung
- 23
- Bearbeitungseinheit
- 23.1, 23.2
- Antriebsrolle
- 23.3
- Heizeinheit
- 23.4
- Schnitteinheit
- 24
- vierte Handhabungseinheit
- 25
- Rundtakttisch
- 26
- fünfte Handhabungseinheit
- 27
- Schnitteinheit
- A1
- mittlerer Ausschnitt
- A2
- mittlerer Ausschnitt
- B1
- Bereich
- B2
- Bereich
- BT1
- Bauteil
- G1
- erste Gasdiffusionsschicht
- G2
- zweite Gasdiffusionsschicht
- I
- Ionenaustauschmembran
- K
- Klebstoff
- L
- Laminat
- MEA
- Membran-Elektroden-Anordnung
- R1
- erstes Rahmenmaterial
- R2
- zweites Rahmenmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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