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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Metall-Bipolarplatte zur Verwendung in einer Brennstoffzellenumgebung, die eine einfache Herstellbarkeit aufweist, und insbesondere eine derartige Bipolarplatte, die einfach und kostengünstig herzustellen ist, während sie die bestmöglichsten mechanischen/strukturellen Eigenschaften bewahrt.
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In vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad zu der Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (wie in der Form von atmosphärischem Sauerstoff) durch einen separaten Strömungspfad an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Ein geeigneter Katalysator (beispielsweise Platin) ist typischerweise so angeordnet, um an diesen jeweiligen Seiten eine Anode, um eine Wasserstoffoxidation zu unterstützen, und eine Kathode, um eine Sauerstoffreduktion zu unterstützen, zu bilden. Hieraus wird elektrischer Strom mit bei hoher Temperatur befindlichem Wasserdampf als einem Reaktionsnebenprodukt erzeugt. Bei einer Form einer Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-(in jedem Fall PEM-)Brennstoffzelle bezeichnet ist, ist ein Elektrolyt in der Form einer Ionomermembran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) zu bilden, die ferner schichtartig zwischen Diffusionsschichten angeordnet ist, die sowohl eine Strömung von gasförmigem Reaktanden zu als auch einen Fluss von elektrischem Strom und Wasser aus der MEA zulassen. Die vorher erwähnte Katalysatorschicht kann an oder als Teil der Diffusionsschicht oder der Membran angeordnet sein.
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Um einen elektrischen Ausgang zu erhöhen, sind einzelne Brennstoffzelleneinheiten mit Bipolarplatten gestapelt, die zwischen der Diffusionsschicht und einer Anodenelektrode einer MEA und der Diffusionsschicht und einer Kathodenelektrode einer benachbarten MEA angeordnet sind. Typischerweise bestehen die Bipolarplatten aus einem Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material, um einen elektrischen Pfad zwischen der MEA und einer externen elektrischen Schaltung zu bilden. In einer solchen gestapelten Konfiguration besitzen die Bipolarplatten, die benachbart gestapelte MEAs trennen, gegenüberliegende Flächen, die jeweils Strömungskanäle aufweisen, die voneinander durch erhöhte Stege getrennt sind. Die Kanäle wirken als Leitungen, um Wasserstoff- und Sauerstoffreaktandenströme an die jeweilige Anode und Kathode der MEA zu fördern, während die Stege aufgrund ihres Kontaktes mit der elektrisch leitenden Diffusionsschicht, die ihrerseits in elektrischer Kommunikation mit Strom, der an den Katalysatorstellen erzeugt wird, steht, als ein Übertragungspfad für die in der MEA erzeugte Elektrizität wirkt. Auf diese Weise gelangt Strom durch die Bipolarplatte und die elektrisch leitende Diffusionsschicht.
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Da die Bipolarplatte in einer bei hoher Temperatur befindlichen sowie korrosiven Umgebung arbeitet, sind herkömmliche Metalle, wie unlegierter Kohlenstoffstahl, für gewisse Anwendungen (wie für Kraftfahrzeugumgebungen) möglicherweise nicht geeignet, bei denen eine lange Lebensdauer (beispielsweise etwa 10 Jahre mit 6000 Betriebsstunden) erforderlich ist. Während eines typischen Betriebs eines PEM-Brennstoffzellenstapels befinden sich die Protonenaustauschmembranen bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 75°C und etwa 175°C und bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 100 kPa und 200 kPa absolut (d. h. grob ein bis zwei Atmosphären). Unter solchen Bedingungen können Platten, die aus legierten Metallen bestehen, wie rostfreiem Stahl, vorteilhaft sein, da sie gewünschte korrosionsbeständige Eigenschaften besitzen. In Situationen, bei denen die Kosten der Brennstoffzellenherstellung eine wichtige Betrachtung darstellen, können die metallbasierten Bipolarplatten gegenüber anderen elektrisch leitenden Hochtemperaturmaterialien, wie Graphit, bevorzugt sein. Zusätzlich zu den relativ geringen Kosten kann rostfreier Stahl in relativ dünne Teile (beispielsweise mit einer Dicke zwischen 0,1 und 1,0 Millimeter geformt sein.
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Von den verschiedenen Typen von rostfreien Stählen weisen diejenigen mit ferritischen Mikrostrukturen, die typischerweise einen hohen Chromgehalt besitzen und typischerweise nickelfrei sind, eine kubisch raumzentrierte (BCC) Kristallstruktur auf und besitzen tendenziell die gewünschten Attribute von relativ geringen Kosten und hoher Korrosionsbeständigkeit (das letztere aufgrund einer Chromoxidbarrierebildung). Dennoch sind ihre Aushärtkurven so, dass sie, wenn sie mit herkömmlichen Stanz- bzw. Präge- oder verwandten metallformenden Betriebsabläufen bearbeitet werden, anfälliger gegenüber einer Einschnürung, Ausdünnung (die beide Maße von Abweichungen in der Dicke in dem Oberflächenmaterial sind) und folglicher Rissbildung sind, als ihre herkömmlicheren austenitischen Gegenstücke (beispielsweise rostfreier Stahl 304). Diese Schwierigkeiten sind insbesondere in Einzelschritt-Ziehbetriebsabläufen vorherrschend (beispielsweise denjenigen, die relativ große – wie mit einer Tiefe zwischen etwa 200 Mikrometer und 400 Mikrometer – außerhalb der Ebene befindlichen Verformungen betreffen), wo eine signifikante Seitenwandverformung stattfinden kann. Diese frühe Einschnürung und Rissbildung ist insbesondere in engen Radien vorherrschend, die dazu verwendet werden, die benachbarten Wände der Reaktandenströmungskanäle zu bilden. Während die Aushärtkurven anderer formbarer rostfreier Stähle (wie den vorher erwähnten Austeniten) allgemein die raueren Biegebedingungen zulassen, die durch die herkömmliche Einschrittvorgehensweise bewirkt werden, ist eine frühe Einschnürung und Rissbildung aus einer derartigen Einzelschrittformung auch bei Situationen vorherrschend, bei denen die Ziehtiefe vergleichsweise groß ist (wie größer als etwa 400 bis 500 Mikrometer).
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Überdies macht die gegenwärtige Bipolarplattenherstellung einen großen Anteil der Gesamtkosten des Brennstoffzellenstapels aus. Während die Verwendung geprägter Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl bei der Berücksichtigung eines signifikanten Anteils dieser Kosten nützlich wäre, ist die geringe Formbarkeit von rostfreiem Stahl im Allgemeinen (und ferritischem rostfreiem Stahl im besonderen) eine signifikante Herausforderung insbesondere zum Prägen sehr dünner (beispielsweise 0,100 Millimeter oder dünner) Blechen bzw. Bleche, die die erforderliche Kanalfestigkeit und -tiefe besitzen, um funktionelle Anforderungen zu erfüllen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Formen einer Metall-Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle offenbart. In dem vorliegenden Kontext ist es, während zahlreiche eisenbasierte und aluminiumbasierte Metalle durch das vorliegende Verfahren bearbeitet werden können, insbesondere für rostfreie Stähle im Allgemeinen und ferritische rostfreie Stähle im Besonderen nützlich; die Verwendung von allen solchen Metallelementen in dem Werkstück wird als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. Das Verfahren umfasst die Verwendung eines geringfügig negativen Abstands, um eine Kompressionsspannung entlang zumindest Abschnitten der Oberfläche des Blechs einzuführen, das von einem plattenformenden Werkzeug verformt wird. Insbesondere umfasst das Verfahren das Platzieren des Bleches zwischen zumindest zwei Matrizen (oder bei der Alternative einem Stempel und einer Matrize, da jede Variante als das funktionale Äquivalent voneinander und daher als innerhalb des Schutzumfangs innerhalb der Erfindung befindlich betrachtet werden kann), wobei dieses in die Form einer Bipolarplatte mit zahlreichen Strömungskanälen umgewandelt wird, die für den Durchgang von Brennstoffzellenreaktanden (wie Wasserstoff und Sauerstoff) verwendet werden kann. In dem vorliegenden Kontext kann das Blech allgemein planar sein oder kann bereits einer gewissen Vorformung unterzogen worden sein, wobei die letztere so ist, dass bereits einige nicht planare (d. h. dreidimensionale) Attribute in ihrer endgültigen Form enthalten sind. In jedem Fall definiert der negative Abstand, der durch den Betrieb der Werkzeugmatrizen erzeugt wird, einen Zwischenraum zwischen den Matrizen, der kleiner als der der Dicke des Bleches ist. Auf diese Weise tendiert der Kompressionsbetriebsablauf der Matrizen zu einer Umlagerung durch ein Material aus einer Quetschbewegung von dem Teil des Bleches, das dem negativen Abstand ausgesetzt ist, zu einem Teil, bei dem dies nicht der Fall ist. Bei einer beispielhaften Form insbesondere für Brennstoffzellen-Bipolarplatten ist das Teil des Bleches, aus dem das Material bewegt wird, dasjenige, das sich benachbart zu dem Teil der anschließend geformten Bipolarplatte befindet, die allgemein planare Flächen aufweist, wie Kanalwände und -stege, während das Teil des Bleches, zu dem das Material bewegt wird, dasjenige ist, das sich benachbart dem Teil der anschließend geformten Bipolarplatte befindet (oder Teil davon ist), die allgemein gebogene Flächen aufweist, wie angewinkelte Radien, die an der Überschneidung der Wände und Stege geformt sind. Ferner weisen die Abschnitte des Bleches, die die Form der Kanäle definieren, Wände und Stege auf, wobei die ersteren allgemein einem Abschnitt außerhalb der Ebene entsprechen und die letzteren dem Abschnitt innerhalb der Ebene entsprechen, der bei Brennstoffzellenformung in einen im Wesentlichen zugewandten Kontakt mit den benachbarten Diffusionsschichten oder der MEA tritt.
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Das Werkzeug – das bei einer Form ein Paar zusammenwirkend geformter Matrizen (auch als Stempel und Matrize bezeichnet) geformt sein kann, die so gefertigt sind, um unter Druck zusammenzukommen – kann die Endform der Bipolarplatte bilden. Die Einführung eines negativen Abstands in das Werkzeug bringt den Vorteil der relativen Formbarkeit des Blechs oder des verwandten Werkstücks, wenn es der Kompressionskraft des Werkzeugs ausgesetzt ist, so dass Abschnitte des Blechmaterials effektiv von einem Teil der Blechfläche zu einem anderen gequetscht oder weggebügelt werden. Somit unterstützt durch den vorliegenden Formbetriebsablauf die selektive Bewegung des Materials, das die Dicke des Bleches ausmacht, aus einem allgemein planaren Teil der Fläche zu angewinkelten Teilen, die die Matrizenradien (oder Biegeradien) ausmachen, ein Einschnüren in und um den Biegeabschnitt auf einem Minimum zu halten. Bei einer Form ist ein Einführen von nicht mehr als etwa 20% negativen Abstand zwischen den Matrizen zur Verwendung an ferritischen rostfreien Stählen ausreichend, um die gewünschte Reduzierung der Einschnürung zu erreichen, wenn die Last an dem Werkzeug (oftmals auch als ”Presskraft” oder dergleichen bezeichnet) und die resultierenden Matrizenverschleißeinflüsse niedrig gehalten werden. Wie oben erwähnt ist, ist die vorliegende Vorgehensweise für sowohl einschrittige als auch mehrschrittige Formungsprozesse geeignet, wobei die letzteren diskutiert sind in dem
US-Patent 8,778,567 mit dem Titel A UNIQUE PRE-FORM DESIGN FOR TWO-STEP FOR-MING OF STAINLESS STEEL FUEL CELL BIPOLAR PLATES, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle ein Anordnen eines im Wesentlichen planaren Metallblechs in zusammenwirkenden Eingriff mit einem Werkzeug und die Verwendung ein oder mehrerer Formungsschritte auf, um das Blech in eine im Wesentlichen nicht planare Form zu formen, die zahlreiche darin geformte Reaktandenkanäle besitzt. Die Formgebung wird so ausgeführt, dass ein negativer Abstand in zumindest einen Abschnitt des Bleches als ein Weg eingeführt wird, einen Anteil des rostfreien Stahls, der das Blech ausmacht, von einem im Wesentlichen planaren Abschnitt zu einem im Wesentlichen angewinkelten Abschnitt (beispielsweise bei oder nahe den Biegungsradien) der nachfolgend geformten Bipolarplatte umzuverteilen (wie durch Quetschen oder dergleichen). Bei einer bevorzugten Form besitzt das Blech eine im Wesentlichen konstante Dicke über zumindest den Abschnitt seiner Fläche, der der Bipolarplatte entspricht.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine MEA so angeordnet wird, dass sie eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran aufweist, so dass Reaktanden in Fluidkommunikation mit ihrer jeweiligen Elektrode gebracht werden können, und dann eine Metall-Bipolarplatte, die eine Mehrzahl von Reaktandenströmungskanälen definiert, benachbart jeder der Anode und der Kathode platziert wird, so dass bei Betrieb der Brennstoffzelle Reaktanden, die von einer Brennstoffquelle bzw. einer Sauerstoffquelle eingeführt werden, an die Anode und die Kathode durch die Reaktandenströmungskanäle geliefert werden können. Die Bipolarplatten werden dadurch geformt, dass das Blech in zusammenwirkenden Eingriff mit einem Werkzeug oder einer verwandten Formungsvorrichtung platziert wird, so dass bei Verformung des Bleches durch die Vorrichtung die Bewegung von zumindest einem Abschnitt der Vorrichtung einen negativen Abstand in zumindest einen Abschnitt des Bleches als einen Weg einführt, einen Abschnitt des rostfreien Stahls, der das Blech ausmacht, von einem im Wesentlichen planaren Abschnitt der Reaktandenströmungskanäle zu einem im Wesentlichen angewinkelten Abschnitt der Reaktandenströmungskanäle umzulagern.
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Dem Fachmann sei angemerkt, dass andere Komponenten die Brennstoffzelle ausmachen können, wie eine oder mehrere Gasdiffusionsschichten (GDLs), die zwischen den jeweiligen Elektroden (d. h. Anoden und Kathoden) und den Bipolarplatten platziert sein können, um einen oder beide eines Reaktandenströmungspfades und eines Pfades für elektrischen Strom zu einer externen, Last verbrauchende Schaltung bereitzustellen. Gleichermaßen sei angemerkt, dass Funktionen, die sich die GDLs und Elektroden teilen, in eine Hybridstruktur kombiniert werden können. Somit kann beispielsweise das katalytische Material an entweder einem oder beiden der GDL und einem Substrat geformt sein, das dazu verwendet wird, die Anode und Kathode zu definieren. Ferner kann eine Platzierung der Bipolarplatte benachbart der Anode oder Kathode umfassen, dass die jeweilige GDL dazwischen platziert wird, so dass die auswärts vorragenden Stege der Bipolarplatte in engem Kontakt mit den Elektroden über direkten Kontakt zwischen der Platte und der GDL auf einer Seite und der Anode oder der Kathode und der GDL auf der anderen Seite stehen. Innerhalb des vorliegenden Kontextes werden sie als benachbart angenommen, solange ein derartiger indirekter Kontakt alle der Reaktandenströmungsattribute zwischen der Platte und den jeweiligen Elektroden beibehält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist, und wobei:
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1 eine vereinfachte Darstellung einer Schnittansicht teilweise in Explosionsdarstellung eines Abschnitts einer Brennstoffzelle mit umgebenden Bipolarplatten ist;
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2A und 2B einen Vergleich zwischen verschiedenen Blechen, die einem Einschritt-Formungsprozess unterzogen worden sind, der ein Referenzblech (2A), das gemäß dem Stand der Technik geformt worden ist, und eines aufweist, das einem negativen Abstand zwischen etwa 13% und 20% (2B) unterzogen worden ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3A und 3B einen Vergleich zwischen verschiedenen Blechen, die einem Zweischritt-Formungsprozess ausgesetzt worden sind, der ein Referenzblech (3A), das gemäß dem Stand der Technik geformt worden ist, und eines aufweist, das einem negativen Abstand (3B) zwischen etwa 13% und 20% unterzogen worden ist, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 den Betrieb eines Stempel-Matrizen-Werkzeugs an einem allgemein planaren Blech aus rostfreiem Stahl zeigt, wie auch zeigt, wie der negative Abstand in dem vorliegenden Kontext bestimmt wird; und
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5 die verschiedenen Schritte zeigt, die bei der fortschreitenden Ausbildung einer Bipolarplatte gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Anfänglich Bezug nehmend auf 1 ist eine teilweise Schnittansicht einer herkömmlichen PEM-Brennstoffzelle 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Die Brennstoffzelle 1 weist eine im Wesentlichen planare Protonenaustauschmembran 10, eine Anodenkatalysatorschicht 20 in zugewandtem Kontakt mit einer Seite der Protonenaustauschmembran 10 und eine Kathodenkatalysatorschicht 30 in zugewandten Kontakt mit der anderen Seite auf. Gemeinsam sind die Protonenaustauschmembran 10 und die Katalysatorschichten 20 und 30 als die MEA 40 bezeichnet. Eine Anodendiffusionsschicht 50 ist in zugewandtem Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht 20 angeordnet, während eine Kathodendiffusionsschicht 60 in zugewandtem Kontakt mit der Kathodenkatalysatorschicht 30 angeordnet ist. Jede der Diffusionsschichten 50 und 60 besteht aus einem allgemein porösen Aufbau, um den Durchgang gasförmiger Reaktanden zu den Katalysatorschichten 20 und 30 zu unterstützen. Gemeinsam werden die Anodenkatalysatorschicht 20 und die Kathodenkatalysatorschicht 30 als Elektroden bezeichnet und können als separate getrennte Schichten, wie gezeigt ist, oder bei einer Alternative (wie oben erwähnt ist) zumindest teilweise in Diffusionsschichten 50 bzw. 60 eingebettet wie auch teilweise in gegenüberliegende Seiten der Protonenaustauschmembran 10 eingebettet geformt sein.
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Zusätzlich zu einer Bereitstellung eines im Wesentlichen porösen Strömungspfades für Reaktandengase zum Erreichen der geeigneten Seite der Protonenaustauschmembran 10 sehen die Diffusionsschichten 50 und 60 einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektrodenkatalysatorschichten 20, 30 und einer Bipolarplatte 70 vor, die ihrerseits als ein Stromkollektor wirkt. Überdies bilden durch ihre allgemein poröse Beschaffenheit die Diffusionsschichten 50 und 60 auch eine Leitung zur Entfernung von Produktgasen, die an den Katalysatorschichten 20, 30 erzeugt sind. Ferner erzeugt die Kathodendiffusionsschicht 60 signifikante Mengen an Wasserdampf in der Kathodendiffusionsschicht. Ein derartiges Merkmal ist wichtig, um zu helfen, die Protonenaustauschmembran 10 hydriert zu halten. Eine Wasserpermeation in den Diffusionsschichten kann durch die Einführung kleiner Mengen an Polytetrafluorethylen (PTFE) oder verwandtem Material eingestellt werden.
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Obwohl sie fiktiv mit einer dickwandigen Struktur gezeigt sind, verwenden die Bipolarplatten 70 bevorzugt eine dünnwandige Struktur (wie nachfolgend detaillierter gezeigt und beschrieben ist); somit sollte 1 nicht dazu verwendet werden, die relative Dicke zwischen den Kanälen 72 und der Plattenstruktur abzuleiten, die eine Definition für solche Kanäle ergibt. Vereinfachte gegenüberliegende Flächen 70A und 70B eines Paares von Bipolarplatten 70 sind vorgesehen, um jede MEA 40 und begleitende Diffusionsschichten 50, 60 von benachbarten MEAs und Schichten (keine davon sind gezeigt) in einem Stapel zu trennen. Eine Platte 70A steht mit der Anodendiffusionsschicht 50 in Eingriff, während eine zweite Platte 70B mit der Kathodendiffusionsschicht 60 in Eingriff steht. Jede Platte 70A und 70B (die bei Zusammenbau als ein einheitliches Ganzes die Bipolarplatte 70 ausmachen würden) definiert zahlreiche Reaktandengasströmungskanäle 72 entlang einer jeweiligen Plattenseite. Eine dreidimensionale (d. h. außerhalb der Ebene befindliche) Struktur 74 besteht aus Wänden 74A und Stegen 74B, die benachbarte Teile der Reaktandengasströmungskanäle 72 trennen, indem sie zu den jeweiligen Diffusionsschichten 50, 60 vorragen und einen direkten Kontakt mit diesen herstellen. Obwohl die Bipolarplatte 70 (zu stilisierten Zwecken) so gezeigt ist, dass sie rein rechtwinklige Reaktandengasströmungskanäle 72 und die Struktur 74 definiert, sei dem Fachmann angemerkt, dass eine genauere (und bevorzugtere) Ausführungsform nachfolgend gezeigt ist, bei der allgemein serpentinenförmige Kanäle 72 (zusammen mit ihren jeweiligen allgemein planaren Scheiteln, die den Stegen 74B entsprechen) geformt sind.
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Im Betrieb wird ein erster gasförmiger Reaktand, wie Wasserstoff, an die Anodenseite 20 der MEA 40 durch die Kanäle 72 von der Platte 70A geliefert, während ein zweiter gasförmiger Reaktand, wie Sauerstoff (typischerweise in der Form von Luft) an die Seite der Kathode 30 der MEA 40 durch die Kanäle 72 von der Platte 70B geliefert wird. Katalytische Reaktionen finden an der Anode 20 bzw. der Kathode 30 statt, wobei Protonen, die durch die Protonenaustauschmembran 10 gelangen, und Elektronen erzeugt werden, die in einem elektrischen Strom resultieren, der durch die Diffusionsschichten 50 und 60 und die Bipolarplatte 70 aufgrund eines Kontakts zwischen den Stegen 74B und den Schichten 50 und 60 übertragen werden kann.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2A und 2B ist ein Vergleich zwischen den Ergebnissen einer Einschritt-Formung eines kommerziell erhältlichen Blechs 170, 270 aus rostfreiem Stahl in Bipolarplatten gemäß der herkömmlichen Vorgehensweise nach dem Stand der Technik (2A) und denen der Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung (2B) gezeigt. Bei einer Form bestehen die Blechen 170, 270 aus ferritischem rostfreiem Stahl. Die vorliegenden Erfinder haben bestimmt, dass das Blech 270 der vorliegenden Erfindung eine Dicke bevorzugt zwischen etwa 50 Mikrometer und etwa 200 Mikrometer besitzt, wobei ein optimaler Bereich zwischen etwa 75 Mikrometer und etwa 110 Mikrometer liegt. Insbesondere führten die Erfinder Tests und eine Analyse der Bleche mit Dicken von 75 Mikrometer (2A und 3A) und 110 Mikrometer (3B) durch. Mit besonderem Bezug auf 2A wird bei diesem Betrieb – wo ein allgemein kontinuierliches Oberflächenprofil, das aus Seitenwänden 174A besteht, durch Stege 174B und Biegungen (oder Radien) 174C getrennt ist – die Matrizenziehtiefe auf 300 Mikrometer gesetzt. In dem vorliegenden Kontext ist die Ziehtiefe das Maß einer Kanaltiefe (beispielsweise Kanal 72 von 1), die im Wesentlichen das Maß einer vertikalen Verformung ist, die auf ein Blech aus flachem Material aufgebracht wird und typischerweise nicht die Materialdicke als Teil ihrer Messung enthält. Wie zu sehen ist, findet eine signifikante Ausdünnung TPA, (insbesondere etwa 37,2%, wie gezeigt ist) an den Überschneidungen (d. h. Biegungen oder Radien) 174C zwischen den entsprechenden Seitenwänden 174A und Stegen 174B des Blechs 170 statt. In dem vorliegenden Kontext sind die Verdünnung und Einschnürung verschieden, wobei die letztere einen lokalen Kompromiss in den Materialeigenschaften repräsentiert, so dass sie den Anfangsort oder die Anfangsstelle eines Schadens in einer Komponente bildet, wie der vorliegend offenbarten Bipolarplatte. Insbesondere wird die Einschnürung durch Zugspannung bewirkt, während ein Kompressionsspannungszustand eine Wanddickenreduzierung bewirken kann, jedoch keine lokale Einschnürung zur Folge hat. Im Gegensatz dazu ist eine Ausdünnung ein Maß der Schichtdickenreduzierung, die zu einem Schaden führen kann, jedoch nicht muss. Signifikanterweise nehmen die vorliegenden Erfinder an, dass eine Ausdünnung, die durch Zugbelastungen bewirkt wird, sich von denen unterscheidet, die durch Kompressionsbelastung bewirkt werden, und dass diese Differenz wichtig für den Erfolg der vorliegenden Erfindung ist. Ein negativer Abstand, wie die vorliegende Erfindung in Betracht zieht, kann die Ausdünnung in den flachen Bereichen erhöhen, beseitigt jedoch eine Einschnürung, die tendenziell bevorzugt an oder nahe den Radien auftritt.
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Wie oben erwähnt ist, können solche unakzeptabel hohe Niveaus an Ausdünnung TPA oder Streckung zu einer Einschnürung und einem damit in Verbindung stehenden Bruch insbesondere für ferritische rostfreie Stähle führen, die aufgrund ihrer geringeren Härtungskurve als der von Austenit oder anderen rostfreien Stählen besonders anfällig sind. Die vorliegenden Erfinder sind sich gleichermaßen bewusst, dass eine ähnliche hohe Wahrscheinlichkeit eines Bruches oder einer Schwächung (von denen keines gezeigt ist) mit den allgemein robusteren austenitischen rostfreien Stählen in Situationen auftritt, bei denen die Ziehtiefe größer sein kann (wie über etwa 400 Mikrometer). Somit sei, während der größte Teil der vorliegenden Offenbarung besonders für ferritische rostfreie Stähle (wie 439 rostfreien Stahl oder dergleichen) nützlich ist, dem Fachmann angemerkt, dass die hier diskutierte Erfindung auch auf austenitische rostfreie Stähle anwendbar ist, insbesondere in solchen Situationen, bei denen derartige größere Ziehtiefen erforderlich sein können.
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Bezug nehmend insbesondere auf 2B in Verbindung mit 4 sind die Ergebnisse eines Bipolarplattenformungsprozesses aus dem Blech 270 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das vorliegende Blech 270 (wie oben erwähnt ist) ist etwa 75 Mikrometer dick, und weist bei Formung signifikante Reduzierungen der Ausdünnung TNC von etwa 31,6% (in absoluter Hinsicht) auf, was einer Verbesserung von 5,6% (oder einer ungefähren Verbesserung von 15% der relativen Ausdünnungsreduzierung) im Vergleich der von 2A ist. Wie in 4 fiktiv gezeigt ist, umfasst das Plattenformungswerkzeug 200 einen Stempel 210 und die Matrize 220 (wobei beide Hälften zusammen bei der Alternative als eine Mehrzahl von Matrizen bezeichnet werden können), wobei die erstere sich vertikal vorwärts und rückwärts relativ zu der letzteren durch einen geeignet konfigurierten Aktor (nicht gezeigt) bewegt. Herkömmliche Präge- und verwandte Formschneidbetriebsabläufe können durch Verwendung von negativem Abstand ergänzt werden. In dem vorliegenden Kontext bedeutet der Begriff ”negativer Abstand”, dass die Dicke des Blechs 270, das verformt wird, größer als der Spalt G zwischen dem Seitenrand 210E des Stempels 210 und der Innenwand 220W der Matrize 220 ist; dies ist in 4 gezeigt, wo die ”y”-Abmessung (die durch die Schichtdicke 270T repräsentiert ist) größer als die ”x”-Abmessung von Spalt G ist. Wie oben erwähnt ist, bewirkt die zusammenwirkende Aktion des Stempels 210 und der Matrize 220, dass zumindest eines von diesen auf die gewünschte Nenndicke 270T des Blechs 270 als ein Weg eindringt, Abschnitte der Blechdicke 270T von einer Stelle (beispielsweise an Abschnitten bei oder nahe planaren Flächen, die bei Formung der Bipolarplatte weg von den Biegungen und verwandten Radien bleiben) an der Fläche des Blechs 270 zu anderen zu quetschen oder anderweitig zu bewegen (beispielsweise an Abschnitten der Flächen, die bei Formung der Bipolarplatte bei oder nahe Biegungen und verwandten Radien liegen). Bei einer bevorzugten Form erfolgt der Kontakt zwischen dem Stempel 210 und dem Blech 270, der zu dem negativen Abstand führt, benachbart im Wesentlichen einer Mitte des Blechs 270, das bei Verformung eine Wand 74A oder einen Kanal 72 definiert, wobei eine Verformung wesentlich kleiner als die der angrenzenden Biegung 74C ist. Wie oben erwähnt ist, nutzt die Einführung eines negativen Abstands in das Werkzeug 200 den Vorteil der relativen Formbarkeit des Blechs 270, wenn es der Kompressionskraft des Werkzeugs 200 ausgesetzt ist, so dass Abschnitte des Blechmaterials effektiv von einem Teil der Blechfläche zu einem anderen gequetscht oder weggebügelt werden. Bei einer bevorzugten Form ist der Zeitablauf der Steuerung des negativen Abstands nahe dem Ende des Formungsprozesses platziert, so dass die Anfangsstufe des Formungsprozesses nicht beeinträchtigt wird. Das Ergebnis der Verwendung von negativem Abstand als einen Weg, Abschnitte des Materials von einer Stelle an dem Blech 270 zu einer anderen umzulagern, besteht darin, dass die maximale Formschneidkraft, die von dem Werkzeug 200 verwendet wird, höher ist, als wenn sie ohne verwendet würde; dennoch ist keine zusätzliche Werkzeugausstattung erforderlich. Überdies wird dadurch, dass der Betrag an negativem Abstand relativ gering gehalten wird (beispielsweise kleiner als 20%) jede zusätzliche Presskraft, die erforderlich ist, durch die Vorteile der Blechformbarkeit mehr als ausgeglichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform definiert die Endform der Bipolarplatte 70 von 1, die aus einem Vorläuferblech 270 besteht, eine Serpentinenform mit allgemein trapezförmigen Merkmalen, um die Stege 74B zu repräsentieren. Wie oben erwähnt ist, besteht das Blech 270 aus einer ferritischen oder austenitischen Legierung aus rostfreiem Stahl, zu der korrosionshemmende Materialien (wie Chrom, Nickel, Molybdän, Kupfer oder dergleichen) zu der Eisenbasis hinzugefügt sind. Beispielsweise können die ferritischen rostfreien Stähle (von denen 439 rostfreier Stahl ein Beispiel ist) Chrom (bis zu möglicherweise etwa 30 Gewichtsprozent) mit im Wesentlichen ohne Nickel enthalten. Gleichermaßen kann ein austenitischer rostfreier Stahl zwischen etwa 15 und 26 Gewichtsprozent Chrom und etwa 1,5 bis 22 Gewichtsprozent Nickel enthalten, wobei gut bekannte Beispiele die Auswahl von Typ 304 und Typ 316 des American Iron and Steel Institute (AISI) enthalten.
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Durch den vorliegenden Gebrauch des negativen Abstands ist die selektive Bewegung des Materials an dem Blech 270 von einer Stelle an seiner Fläche zu einer anderen so, dass der Gesamtbetrieb eine Abweichung von der Nenndicke in und um die Überschneidung 74C der nachfolgend geformten Bipolarplatte 70 auf einem Minimum hält. In dem vorliegenden Kontext entspricht eine derartige selektive Bewegung dem lokalen Transfer diskreter Abschnitte des Materials, die das anfänglich flache ursprüngliche Blech ausmachen, zu benachbarten Blechgebieten. Bei einer besonderen Form (wie anderswo hier diskutiert ist) können derartige diskrete Abschnitte mit den geformten Bereichen übereinstimmen, die die Kanäle 72 definieren. Signifikanterweise unterstützt die Kompressionswirkung, die dem negativen Abstand zugeordnet ist, ein geeignetes Niveau an plastischer Verformung, um die gewünschte Umlagerung von Material zu den Biegeradien zu unterstützen, die sich in und um die Überschneidung 74C befinden; diese Bewegung oder Zufuhr von zusätzlichem Material ist nützlich bei der Reduzierung der Streckung oder des Ziehens des Metalls von dem Wandbereich der endgültigen Bipolarplatte 70. Diese Merkmale helfen alle, einen tieferen Kanal 72 zu formen, und zwar mit gleichförmigerer Dicke, selbst mit dem weniger formbaren ferritischen rostfreien Stahl. Überdies sind es nicht nur die Vorteile der Reduzierung einer Ausdünnung, die durch den Gebrauch des negativen Abstands der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden, da ihre Kompressionswirkung die lokale Verformung von rein Zug auf eine Kombination aus Zug und Kompression modifiziert; dies hilft, das Auftreten der vorher erwähnten Einschnürung zu reduzieren oder zu beseitigen. Während das Streben nach sehr dünnen Materialien als einen Weg, ein Komponentengewicht und Kosten zu reduzieren, stark anhält, besitzt eine sehr dünne Folie (wie die mit einer Dicke von 75 oder weniger Mikrometer) eine beschränkte Menge an Materialvolumen, der verfügbar ist, um die Zielgeometrie und Elongation der hergestellten Komponente zu erreichen. Dies besitzt seinerseits die Tendenz, eine derartige Folie weniger formbar als dickere Bleche zu machen. Die hier diskutierte Vorgehensweise ist insbesondere hilfreich, die Formbarkeit von derartigen Folien mit reduzierter Materialdicke zu ermöglichen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3A und 3B können die Vorteile der Vorgehensweise mit negativem Abstand der vorliegenden Erfindung genauso auf eine Zwei-Schritt-Vorgehensweise zur Verformung angewendet werden, wobei bei dem Beispiel, das in 3B gezeigt ist eine serpentinenförmige Platte erzeugt wird, die eine Reduzierung der Ausdünnung von 28,7% TPA zu 22,6% TNC verwirklicht (für eine absolute Verbesserung von 6,1% oder eine ungefähre Verbesserung von 21% relativ zu der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik von 3A). Im Wesentlichen führt der erste Schritt der Zwei-Schritt-Vorgehensweise eine Vorstreckung (oder Vorformung) des Blechs 270 aus Material aus und kann insbesondere so ausgelegt sein, dass er an bruchanfälligeren Gebieten der nachfolgend geformten Bipolarplatte 70 ausgeführt wird. Besonders Bezug nehmend auf 3B in Verbindung mit 4 ist bei der gezeigten Ausführungsform die Ziehtiefe D des Werkzeugs 200, das in Verbindung mit dem ersten Schritt verwendet ist, kleiner als 300 Mikrometer (obwohl dem Fachmann angemerkt sei, dass abhängig von den gewünschten Abmessungen der resultierenden Reaktandenkanäle andere Tiefen verwendet werden können), während die Seitenkanalwiederhollänge L 1,3 Millimeter beträgt. Gleichermaßen beträgt die Ziehtiefe D des Werkzeugs, das dazu verwendet wird, die endgültige Bipolarplattenform (d. h. dem zweiten Schritt) durchzuführen, 315 Mikrometer. Ferner kann in Situationen, bei denen austenitischer (anstatt ferritischer) rostfreier Stahl verwendet ist (beispielsweise wo eine oder beide der Ziehtiefen D über etwa 400 Mikrometer liegen) ein ähnliches Vorformwerkzeug verwendet werden, und es können verschiedene Vorform-Ziehformen durch Einstellen der Ziehtiefe (auch als Stempelhub bezeichnet) erhalten werden; eine derartige Vorgehensweise kann helfen, eine Werkzeugredundanz und damit in Verbindung stehende Kosten zu reduzieren.
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Bei einer noch weiteren Form können die Kanäle 72, die von den Wänden 74A, Stegen 74B und Biegungen 74C des Blechs 270 geformt sind, eine große Vorform-Ziehtiefe D aufweisen, um eine endgültige Formtiefe so eng wie möglich anzupassen (und ist mit der Tiefe kompatibel, die von der Tiefe der Matrize 220 des Werkzeugs 200 bestimmt ist); eine derartige Konfiguration resultiert in einer großen plastischen Verformung. Gleichermaßen kann ein kleiner Stempelradius verwendet werden, um die Ecken der Kanäle 72 zu strecken und zu verformen, die ansonsten nicht ausreichend plastische Verformung in der Endform aufgrund der geringeren Dehnungshärtungsrate (und folglichen Tendenz, sich auszustrecken und zu dünn zu werden) von ferritischem rostfreiem Stahlmaterial aushalten können. Die offenbarte Erfindung ermöglicht, dass das Blech 270 verwendet werden kann, um die Bipolarplatte 70 zu bilden und damit eine im Wesentlichen gleichförmige Dickenverteilung an dem Ende der Endformgeometrien des Kanals 72 ohne Einschnürung und Bruch bereitzustellen. Eine derartige Vorgehensweise ist für sowohl ferritische als auch austenitische rostfreie Stähle geeignet.
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Bei den Ein-Schritt- als auch Zwei-Schritt-Formungsvorgehensweisen, wie oben diskutiert ist, sind signifikante Reduzierungen der lokalen Ausdünnung relativ zu der Vorgehensweise nach dem Stand der Technik mit einer absoluten Reduzierung der Dicke von über 6,1% (für die Zwei-Schritt-Vorgehensweise) und 5,6% (für die Ein-Schritt-Vorgehensweise) an einer Stelle gezeigt, die der Biegung 74C des Blechs für eine Ziehtiefe D von 300 Mikrometer für eine Probe aus ferritischem rostfreiem Stahl mit einer Dicke des Ausgangsblechs 270 von 75 Mikrometer entspricht. Dieses optimale Ergebnis zieht verschiedene Vorform-Formen und -Abmessungen in Betracht, einschließlich der Stegbreite von bis zu 0,5 Millimeter, Scheitelradien der Krümmung zwischen 0,15 Millimeter und 0,4 Millimeter und eine Ziehtiefe zwischen 200 Mikrometer und 300 Mikrometer. Gleichermaßen wurde diese optimale Konstruktion für eine Endformungsstufe von 315 Mikrometer wiederholt. Im Vergleich zu den Vorgehensweisen der 2A und 3A, wie oben diskutiert ist, die keinen negativen Abstand in der Werkzeugausstattung verwendeten, ist die optimierte Dickenabweichungsreduzierung signifikant besser. Dem Fachmann sei ferner angemerkt, dass, während der Vergleichsbetrieb an den Blechen der 2 und 3 für die Ein-Schritt- und Zwei-Schritt-Formung vorgesehen ist, genauso auch Verbesserungen für jegliche Mehrschritt-Betriebsabläufe verwirklicht werden können, und dass derartige Mehrschritt-Betriebsabläufe als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 in Verbindung mit den 1 und 4 sind die Schritte 300, die dazu verwendet werden, eine Bipolarplatte zu bilden, gezeigt. Anfänglich wird ein Paar von Formungsschritten 310 und 320 ausgeführt. Bei dem ersten Formungsschritt 310 wird das allgemein flache Blech 270 (wie durch einen kontinuierlichen Förderer oder ein anderes bekanntes Mittel) in die Einrichtung aus Vorformstempel 310A und Matrize 310B zugeführt; diesem folgt ein End-Formungsschritt 320 mit einem entsprechend geformten Stempel 320A mit Matrize 320B. Wie dem Fachmann angemerkt sei, sind die Stempel- und Matrizeneinrichtungen, die den beiden Formungsschritten 310, 320 entsprechen, für die bestimmte Teilefunktion und den bestimmten Materialtyp ausgelegt. Somit können alternative Teilekonstruktionen oder alternativer Materialtyp eine geringfügig andere Form/Auslegung erfordern, und derartige Sätze können entsprechend modifiziert werden. Aus der Formung der Schritte 310 und 320 kann Schritt 330 verwendet werden, zusätzliche Merkmale der Bipolarplatte 70 zu bilden, wie Stechen interner Merkmale, Durchlassöffnungen oder dergleichen. Derartige durchstochene Merkmale können Sammelleitungsöffnungen aufweisen, um Fluide zu einer fertiggestellten Stapelbaugruppe (nicht gezeigt) zu verteilen, während Durchlass-(d. h. Anoden- und Kathoden-)Öffnungen Pfade bereitstellen, damit Reaktandenfluide in jede Zelle eintreten oder diese verlassen können. Andere Merkmale, wie Öffnungen, um die Bezugsstruktur zum Zusammenbau zu erzeugen oder zu unterstützen, und andere Auswerfer, um einen Zusammenbau und eine Integration zu erleichtern (um beispielsweise eine Zellenspannungsüberwachung zu erleichtern), können ebenfalls geformt werden. Anschließend kann ein zusätzlicher Schritt 340 verwendet werden, ein Schneiden, Zurichten, Umfangsstechen und verwandte Trennung von zu entsorgendem Überschuss bereitzustellen. Beispielsweise kann die letzte Station, die dem Schritt 340 entspricht, verwendet werden, das Umfangsmaterial weg zu stanzen, um die fertiggestellte Platte 270 aus dem Streifen zur Sammlung an einer stromabwärtigen Baugruppe zu schneiden. Wie dem Fachmann angemerkt sei, kann eine Vorrichtung, die dazu verwendet wird, die Bipolarplatte 270 mit der Endform zu bilden, diese und andere verschiedene Herstellstufen umfassen, so dass alle in ein einzelnes Formwerkzeug oder eine einzelne Formmaschine integriert sind. Die Radien, die in die allgemeine Form der Werkzeugausstattung geschnitten sind, dienen dazu, ein Reißen der vollständig geformten Bipolarplatte 70 zu verhindern. Alle Abschnitte sind an den Ecken vermischt und geglättet, um Spannungskonzentrationsfaktoren und damit in Verbindung stehende Spannungserhöher zu minimieren. Somit werden scharfe Übergänge, Ecken oder dergleichen vermieden, da diese weniger optimal für Stempelbetriebsabläufe sind, wie diejenigen, die bei den Formgebungsschritten 310, 320 bewirkt werden. Wie oben erwähnt ist, wird ungeachtet dessen, ob die Formung in einem Schritt oder mehreren Schritten stattfindet, ein negativer Abstand verwendet, um Oberflächenmaterial als einen Weg umzupositionieren, den Betrag an Ausdünnung und potentialer Einschnürung zu reduzieren.
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Eine Brennstoffzelle, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, kann Teil eines größeren Brennstoffzellenstapels sein, der seinerseits zumindest einen Abschnitt eines Vortriebssystems für ein Fahrzeug, wie ein Auto, bilden kann. Der Brennstoffzellenstapel kann derart konfiguriert sein, zumindest einen Anteil des Antriebs- oder verwandten Vortriebsbedarfs des Fahrzeugs bereitzustellen. Es sei dem Fachmann auch angemerkt, dass andere Fahrzeugformen in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden können; derartige Fahrzeuge können einen Lastwagen, ein Motorrad, ein Flugzeug, Raumfahrzeuge oder Schiffe umfassen.
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Wenn es nicht anders angegeben ist, sind alle Zahlen, die Größen bzw. Mengen angeben, Näherungen, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften variieren können, die durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erhalten versucht werden. Somit können sie alle als mit der Näherung ”etwa” modifiziert zu verstehen sein. Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typisch” hier nicht benutzt werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale entscheidend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind”, sondern vielmehr alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, aber nicht müssen. Ferner ist der Begriff ”im Wesentlichen” hier dazu verwendet, den inhärenten Grad der Unsicherheit darzustellen, der auf irgendeinen quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder eine andere Darstellung zurückzuführen ist, und kann somit den Grad repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
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Mit der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Abwandlungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist in Betracht zu ziehen, dass, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft angegeben sind, die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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