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TECHNISCHES GEBIET
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Bei mindestens einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Katalysatorschichten, die in Brennstoffzellenanwendungen verwendet werden.
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(”SPE”)-Membran oder Protonenaustauschmembran (”PEM”), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
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Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenbaugruppe (”MEA”), in der eine Festpolymermembran (d. h. ionenleitende Membran) einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff über die der Brennstofflieferelektrode zugewandten Oberfläche der Membran verteilt wird. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten (”GDL”) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Leistung bereitzustellen.
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Einige Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik weisen Dichtungen zwischen den Katalysator-Elektroden und der ionenleitenden Membran auf. Verschiedene Bereiche der sich wiederholenden Zellenkonstruktionen besitzen unterschiedliche Funktionsanforderungen, die durch die Verwendung variierender Querschnittsdicken von Materialien erfüllt werden. Zum Beispiel zeigt der in 1 dargestellte Brennstoffzellenabschnitt eine Dichtungskonfiguration nach dem Stand der Technik. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine abdichtende Dichtungseinrichtung 12 auf, die zwischen Gasdiffusionsschichten 14 und 16 sowie zwischen den bipolaren Platten 20 und 22 angeordnet ist. Bei diesem Beispiel sollte die Dichtungseinrichtung 12 dünn, wenn sie zwischen den Gasdiffusionslagen angeordnet ist, und dicker sein, wenn sie zwischen den bipolaren Platten angeordnet ist. Einige Dichtungseinrichtungen nach dem Stand der Technik verwenden Wülste 24 in Verbindung mit einer Dichtlage 26, um die gewünschte Dickenvariation zu erzielen.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Konstruktionen für Dichtungskomponenten für Brennstoffzellen bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung löst ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik dadurch, dass bei zumindest einer Ausführungsform ein Verfahren zum Ausbilden einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellenanwendungen bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst einen Schritt, dass eine im Wesentlichen planare Lage bereitgestellt wird, die eine Schicht aus Harzmaterial enthält. Aus der im Wesentlichen planaren Lage wird eine erste gefaltete Lage geformt. Die erste gefaltete Lage weist eine erste Faltung auf, die sich von einem im Wesentlichen planaren Abschnitt der im Wesentlichen planaren Lage erstreckt, wobei sie einen ersten Seitenabschnitt und einen zweiten Seitenabschnitt, der dem ersten Seitenabschnitt gegenüberliegt, aufweist, die durch einen oberen Abschnitt verbunden sind. Eine Dichtungseinrichtung wird dadurch geformt, dass die erste Faltung hinüber zu dem planaren Abschnitt gefaltet wird, um eine Verbundfaltung zu bilden. Die Verbundfaltung wird zwischen einer ersten Brennstoffzellenkomponente und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente angeordnet. Vorteilhafterweise bildet die Dichtungseinrichtung eine elektrische Isolierung, Abdichtung, eine Abstandsfunktionalität oder Kombinationen daraus.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Brennstoffzelle, die durch das oben beschriebene Verfahren ausgebildet ist, vorgesehen. Die Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenbaugruppe auf, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt. Ein erstes Strömungsfeld ist über der Anodenseite angeordnet, und ein zweites Strömungsfeld ist über der Kathodenseite angeordnet. Ein erstes Gasdiffusionsmedium ist zwischen der Anodenseite und dem ersten Strömungsfeld angeordnet, und ein zweites Gasdiffusionsmedium ist zwischen der Kathodenseite und dem zweiten Strömungsfeld angeordnet. Eine Dichtungseinrichtung ist zwischen dem ersten Strömungsfeld und dem zweiten Strömungsfeld angeordnet, wobei die Dichtungseinrichtung eine zentrale Öffnung definiert. Die Dichtungseinrichtung weist optional einen Umfangsdichtungsbereich auf, der ein Harzmaterial mit einer Verbundfaltung darin enthält. Die Verbundfaltung weist eine erste Faltung in einer Lage auf, die sich von einem im Wesentlichen planaren Bereich der Lage erstreckt. Die erste Faltung weist einen ersten Seitenabschnitt und einen zweiten Seitenabschnitt, der dem ersten Seitenabschnitt gegenüberliegt, auf, so dass der erste Seitenabschnitt und der zweite Seitenabschnitt durch einen oberen Abschnitt verbunden sind. Die Verbundfaltung weist eine zweite Faltung auf, die dadurch geformt wird, dass die erste Faltung hinüber zu einem planaren Abschnitt der Lage gefaltet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffdichtungsstapels ist, der ein Dichtungssystem nach dem Stand der Technik verwendet;
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2A ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle ist, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
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2B ein Querschnitt einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle ist, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
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3B eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Brennstoffzelle ist, die eine Dichtungseinrichtung verwendet, die gefaltete Bereiche aufweist;
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4 eine Draufsicht einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellen ist;
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5 eine Schnittansicht einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellen ist; und
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6A und 6B ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer Dichtungseinrichtung für Brennstoffzellenanwendungen bereitstellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird nun detailliert Bezug auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung genommen, die die besten Arten zur Ausführung der Erfindung, die den Erfindern derzeit bekannt sind, bilden. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet. Es sei jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sollen spezifische Einzelheiten, die hier offenbart sind, nicht als beschränkend sondern lediglich als eine repräsentative Basis für irgendeinen Aspekt der Erfindung und/oder als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns interpretiert werden, um die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise anzuwenden.
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Ausgenommen in den Beispielen oder wo dies ausdrücklich anderweitig genannt ist, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, welche die Mengen von Material oder Reaktionsbedingungen und/oder Verwendung bezeichnen, beim Beschreiben des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung als durch das Wort „ungefähr” modifiziert zu verstehen. Die Anwendung innerhalb der genannten Zahlenbegrenzungen ist im Allgemeinen bevorzugt. Sofern nicht gegenteilig ausgeführt umfasst: Prozent, „Teile von” und Verhältniswerte pro Gewicht; schließt der Begriff „Polymer” „Oligomer”, „Copolymer”, „Terpolymer” und dergleichen ein; beinhaltet die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien für einen vorgegebenen Zweck in Verbindung mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt, dass Mischungen von zwei oder mehr der Mitglieder der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; betreffen Molekulargewischte, die für jegliche Polymere vorgesehen sind, Zahlen eines durchschnittlichen Molekulargewichts; bezieht sich die Beschreibung von Konstituenten in chemischen Begriffen auf die Konstituenten zu der Zeit der Zugabe zu irgendeiner Mischung, welche in der Beschreibung spezifiziert ist, und schließt nicht notwendigerweise chemische Interaktionen zwischen den Konstituenten einer einmal vermischten Mischung aus; ist die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung hier auf alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und auf normale grammatikalische Abweichungen der anfänglich definierten Abkürzung anwendbar und wird, sofern nicht gegenteilig ausgeführt, die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, wie zuvor oder nachfolgend für dieselbe Eigenschaft dargelegt, bestimmt.
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Es sei auch zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen und Verfahren, wie nachfolgend beschrieben ist, beschränkt ist, da selbstverständlich spezifische Komponenten und/oder Bedingungen variieren können. Ferner dient die hier verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ist nicht dazu bestimmt, in irgendeiner Weise einzuschränken.
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Es muss auch angemerkt werden, dass, wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, die Singularform ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”der”, ”die”, ”das” Pluralbezüge umfassen, sofern der Kontext dies nicht anderweitig deutlich angibt. Beispielsweise ist ein Bezug auf eine Komponente im Singular dazu bestimmt, eine Mehrzahl von Komponenten zu umfassen.
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In dieser Anmeldung sind, wenn auf Veröffentlichungen Bezug genommen wird, die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen in ihrer Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeschlossen, um den Stand der Technik, zu dem diese Erfindung gehört, besser zu beschreiben.
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Mit Bezug auf die 2A, 2B und 3 sind Schemata vorgesehen, die den Einbau einer Dichtungseinrichtung in eine Brennstoffzelle zeigen. 2 ist ein schematischer Schnitt einer Brennstoffzelle, die eine Ausführungsform einer Dichtungseinrichtung enthält, während 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Brennstoffzellenstapels ist, der die Dichtungseinrichtung verwendet. Die Brennstoffzelle 30 weist eine Membranelektrodenbaugruppe auf, die eine Anodenkatalysatorschicht 34, eine Kathodenkatalysatorschicht 36 sowie eine ionenleitende Membran (d. h. Protonenaustauschmembran, Ionomer, etc.) 38 enthält. Die ionenleitende Membran 38 ist zwischen der Anodenkatalysatorschicht 34 und der Kathodenkatalysatorschicht 36 angeordnet, wobei die Anodenkatalysatorschicht 34 über der ersten Seite der ionenleitenden Membran 38 angeordnet ist und die Kathodenkatalysatorschicht 36 über der zweiten Seite der ionenleitenden Membran 38 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 weist auch poröse Gasdiffusionsschichten 42 und 44 auf. Die Gasdiffusionsschicht 42 ist über der Anodenkatalysatorschicht 34 angeordnet, während die Gasdiffusionsschicht 44 über der Kathodenkatalysatorschicht 36 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 weist eine Anodenströmungsfeldplatte 46, die über der Gasdiffusionsschicht 42 angeordnet ist, sowie eine Kathodenströmungsfeldplatte 48 auf, die über der Gasdiffusionsschicht 44 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 30 verwendet eine Dichtungseinrichtung 50, um eine Randdichtung bereitzustellen.
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Mit Bezug auf die
2A,
2B,
3,
4 und
5 sind Schemata vorgesehen, die die Konstruktion der Dichtungseinrichtung
50 zeigen.
4 ist eine Draufsicht der Dichtungseinrichtung
50, während
5 eine Schnittansicht der Dichtungseinrichtung
50 ist. Allgemein weist die Dichtungseinrichtung
50 einen Umfangsdichtbereich
52 auf, der eine Zentralöffnung
54 definiert. Die Dichtungseinrichtung
50 weist eine Verbundfaltung
56 in dem Bereich
58 auf, um eine Dichtung zwischen der Anodenströmungsfeldplatte
46 und der Kathodenströmungsfeldplatte
48 bereitzustellen. Bei einer anderen Ausführung sieht die Dichtungseinrichtung auch eine Dichtung für Durchbrechungen für Reaktanden- und Kühlmittelsammelleitungen vor, die durch Bezugszeichen
59 allgemein gezeigt sind. Beispiele derartiger Durchbrechungen sind in dem
US-Patent Nr. 8,524,414 dargestellt; deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Begriff ”Verbundfaltung”, der hier verwendet ist, bezeichnet einen Bereich, der zumindest zweifach gefaltet ist. Beispielsweise weist die Verbundfaltung
56 eine erste Faltung
60 und eine zweite Faltung
62 auf. Nahe dem Rand
64 der Gasdiffusionsschichten weist die Dichtungseinrichtung
50 einen dünneren (d. h. nicht gefalteten) Bereich
66 auf, um eine Dichtung darin bereitzustellen. Bei einer Ausführung weist die Dichtungseinrichtung
50 zwei Verbundfaltungen auf – eine Verbundfaltung
56 und eine Verbundfaltung
68. Bei einer Variante ist ein Anteil der Dichtungseinrichtung
50 zwischen einer Katalysatorschicht (Anoden- oder Kathodenkatalysatorschicht) und der ionenleitenden Membran
38 angeordnet.
2A zeigt eine Dichtungseinrichtung, die zwischen der Anodenkatalysatorschicht und der ionenleitenden Membran angeordnet ist.
2B zeigt ein Beispiel, bei dem eine Dichtungseinrichtung
50 zwischen der Gasdiffusionsschicht
42 und der Gasdiffusionsschicht
44 angeordnet ist und damit in Kontakt steht.
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Bei einer Variante ist die Dichtungseinrichtung 50 aus einer Lage aus Harzmaterial geformt. Bei einer Ausführung weist die Lage aus Harzmaterial ein thermoplastisches Polymer auf. Beispiele geeigneter thermoplastischer Polymere umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Polyphenylenether, Polyphenylenoxid und Kombinationen daraus. Die Lage aus Harzmaterial kann eine einzelne Lage oder eine Laminatstruktur aufweisen. Typischerweise ist die Laminatstruktur ein mehrschichtiger Thermoplast oder ein Thermoplast mit einer nicht thermoplastischen Elastomerschicht (z. B. Silikon, Ethylenpropylendienmonomer-Kautschuk, etc.). Bei einer Ausführung, wie in 5 dargestellt ist, weist die Laminatstruktur eine erste feste Schicht 70 und eine erste geschäumte Schicht 72 sowie eine optionale zweite feste Schicht 74 auf. Die erste geschäumte Schicht 72 ist zwischen der ersten festen Schicht 70 und der zweiten festen Schicht 74 angeordnet. Bei einer anderen Ausführung weisen die erste feste Schicht, die zweite feste Schicht und die erste geschäumte Schicht jeweils unabhängig voneinander ein thermoplastisches Polymer auf, wie oben dargestellt ist.
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Mit Bezug auf die 6A und 6B ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Dichtung in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren umfasst den Schritt, dass eine im Wesentlichen planare Lage 80 bereitgestellt wird, die eine Schicht aus Harzmaterial aufweist. Bei einer Ausführung weist die Schicht aus Harzmaterial ein thermoplastisches Polymer auf, wie oben dargestellt ist. Bei einer anderen Ausführung bildet die im Wesentlichen planare Lage 80 eine Dicke zwischen etwa 0,50 mm und etwa 1 mm. Die erste gefaltete Lage 82 ist aus einer im Wesentlichen planaren Lage 80 geformt. Die erste gefaltete Lage 82 weist eine erste Faltung 60 auf, die typischerweise einen Vorsprungsabschnitt 84 aufweist, der sich von dem im Wesentlichen planaren Abschnitt 88 erstreckt. Die erste Faltung 60 weist einen ersten Seitenabschnitt 90 und einen zweiten Seitenabschnitt 92 auf, der dem ersten Seitenabschnitt 90 gegenüberliegt. Der erste Seitenabschnitt 90 und der zweite Seitenabschnitt 92 sind durch einen oberen Abschnitt 94 verbunden. Die erste gefaltete Lage 82 weist auch Zwischenfaltungen 96 und 98 auf.
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Typischerweise wird die erste Faltung 60 dadurch geformt, dass die im Wesentlichen planare Lage 80 über einen Dorn 100 gezogen wird, wie durch Schritt A) gezeigt ist. Bei diesem Schritt kann eine gleichförmige Ausdünnung beibehalten werden. Bei einer Ausführung wird die im Wesentlichen planare Lage 80 erhitzt, um die Formung der ersten Faltung 60 zu unterstützen. Diesbezüglich wird die Lage 80 typischerweise auf eine Temperatur zwischen etwa 90 und 300 Grad C erhitzt. Bei Schritt b) wird ein Vakuum aufgebracht (d. h. Vakuumformung), um auf die Lage eine Dornform aufzubringen, wodurch die erste Faltung 60 geformt wird. Nach einem derartigen Formen wird die erste gefaltete Lage 82 mit der ersten Faltung darin von dem Dorn bei Schritt c) entfernt. Bei Schritt d) wird eine Dichtungseinrichtung 50 dadurch geformt, dass die erste Faltung und insbesondere der Vorsprungsabschnitt 84 zu dem planaren Abschnitt hinüber gefaltet werden, um eine Verbundfaltung 56 zu bilden. Die Dichtungseinrichtung 50 und daher der Verbund 56 werden zwischen einer ersten Brennstoffzellenkomponente 102 und einer zweiten Brennstoffzellenkomponente 104 platziert, um eine Dichtung zu formen. Bei einer Ausführung wird eine Abkühlung der Dichtungseinrichtung 50 und insbesondere der Verbundfaltung zugelassen, nachdem sie zwischen der ersten Brennstoffzellenkomponente 102 und der zweiten Brennstoffzellenkomponente 104 platziert sind. Bei einer Ausführung, wie oben dargestellt ist, sind die erste Brennstoffzellenkomponente und die zweite Brennstoffzellenkomponente jeweils unabhängige Strömungsfelder. Bei einer Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine Dichtung zwischen einer derartigen Komponente und/oder in Durchbrechungen in derartigen Komponenten zu bilden. Bei einer anderen Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine Isolationsschicht zwischen den Brennstoffzellenkomponenten und insbesondere elektrisch leitenden Brennstoffzellenkomponenten, wie den Strömungsfeldplatten, zu bilden. Bei einer anderen Ausführung wird die Dichtungseinrichtung 50 dazu verwendet, eine dickere Isolierung oder ein dickeres Abstandsmaterial in gewünschten Bereichen zwischen elektrisch leitenden Komponenten von seriell benachbarten Brennstoffzellen bereitzustellen. Eine zusätzliche Platzierung der Dichtungseinrichtung 50 ist oben mit Bezug auf die Beschreibung der 2A und 2B dargestellt.
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Bei einer Ausführung weist die Lage 80 eine Laminatstruktur auf. Typischerweise ist die Laminatstruktur ein mehrschichtiger Thermoplast oder ein Thermoplast mit einer nicht thermoplastischen Elastomerschicht. Bei einer Ausführung weist die Laminatstruktur eine erste feste Schicht und eine erste geschäumte Schicht sowie eine optionale zweite feste Schicht auf, wobei die erste geschäumte Schicht zwischen der ersten festen Schicht und der zweiten festen Schicht angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführung weisen die erste feste Schicht, die zweite feste Schicht und die erste geschäumte Schicht jeweils unabhängig ein thermoplastisches Polymer auf.
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Während beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr ist der in der Beschreibung verwendete Wortlaut ein Wortlaut der Erläuterung anstatt der Beschränkung, und es sei zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang und Erfindungsgedanken der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale von verschiedenen implementierenden Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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