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HINTERGRUND
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung und insbesondere einen Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung, die den Anpressdruck derselben verbessert.
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(b) Beschreibung des Standes der Technik
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Wie im Stand der Technik gut bekannt ist, umfasst ein Brennstoffzellenstapel eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die an der innersten Seite davon angeordnet ist. Die MEA umfasst eine Polymer-Elektrolyt-Membran, durch welche Protonen bewegt werden können, und Katalysatorschichten, d. h., eine Kathode (Luftelektrode) und eine Anode (Brennstoffelektrode), die an beiden Flächen/Oberflächen der Polymer-Elektrolyt-Membran aufgebracht sind, so dass Wasserstoff mit Sauerstoff eine Reaktion eingeht.
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Zusätzlich umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer – GDL) und eine Dichtung, die der Reihe nach (sequenziell) an der Außenseite der Elektrolytmembran gestapelt sind, d. h., an dem Abschnitt, in dem die Kathode und die Anode angeordnet sind, einen Separator, der an der Außenseite der GDL angeordnet ist und mit einem Strömungsweg gebildet ist, durch welchen Brennstoff zugeführt wird und durch die Reaktion erzeugtes Wasser abgeführt wird, und eine Endplatte, die mit der äußersten Seite derselben zum Lagern/Stützen und Befestigen der obigen Komponenten gekoppelt ist. Dementsprechend werden Protonen und Elektronen durch die Oxidationsreaktion von Wasserstoff in der Anode des Brennstoffzellenstapels erzeugt. Insbesondere bewegen sich die erzeugten Protonen und Elektronen an die Kathode durch die jeweilige Elektrolytmembran und den Separator. In der Kathode wird Wasser durch die elektrochemische Reaktion der Protonen und Elektronen, die sich von der Anode bewegen, und Sauerstoff in der Luft erzeugt, und elektrische Energie wird gleichzeitig durch den Fluss der Elektronen erzeugt.
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In dem Brennstoffzellenstapel ist die Dichtung an dem Separator angebracht, um jede Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels aufzuteilen, und hat die Funktion, um unabhängig Durchlässe von Wasserstoff, Kühlmittel, Luft, die an/in der Fläche/Oberfläche des Separators gebildet sind, abzudichten. Ferner, um die Funktion der Dichtung gleichmäßiger durchzuführen, wird der Brennstoffzellenstapel unter Berücksichtigung des Verfahrens zum Anbringen der Dichtung an den Separator und der Auswahl von Dichtungsmaterialien hergestellt.
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Mit anderen Worten erfordert die Bindungsstruktur zwischen dem Separator und der Dichtung eine Durchlassdichtungsfunktion, um zu verhindern, dass Wasserstoff in direkten Kontakt mit Luft kommt, eine Dichtungsfunktion, um zu verhindern, dass Kühlmittel in Kontakt mit Wasserstoff und Luft kommt, eine Dichtungsrückhaltefunktion, um zu verhindern, dass Fluide (z. B. Luft, Wasserstoff und Kühlmittel) nach außen herausfließen/strömen usw. Darüber hinaus liefert die zwischen den Separatoren angeordnete Dichtung eine Stützkraft zwischen den Separatoren. Die Dichtung kann einstückig/integral mit jedem Separator an/auf beiden Flächen/Oberflächen der Separatoren durch Spritzgießen hergestellt werden. Insbesondere kann die Dichtung hergestellt werden, um zu verhindern, dass ein Arbeitsfluid aufgrund der Eigenschaften von Brennstoffzellen, in denen eine Luftdichtigkeit (z. B. eine luftdichte Abdichtung) für ein Reaktionsgas und eine Kühlflüssigkeit erforderlich ist, entweicht/austritt.
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In Verbindung mit dem Brennstoffzellenseparator mit der Dichtung für eine verbesserte Abdichtung umfasst eine Vorrichtung des Standes der Technik durch Spritzgießen mit Separatoren integrierte Dichtungen, und die an beiden Flächen/Oberflächen der Separatoren durch Spritzgießen integrierten Dichtungen sind kontinuierlich/fortlaufend verbunden, wodurch eine geschlossene Kurve gebildet ist. Darüber hinaus ist jede Schnittstelle/Grenzfläche zwischen der gesamten Kante (Rand) jedes Separators und jedem Verteiler mit einer Mehrzahl von Einspritzöffnungen gebildet, durch welche eine Injektionsflüssigkeit für eine Dichtung strömt, die Injektionsflüssigkeit für eine Dichtung fließt von einer Oberfläche des Separators zu der gegenüberliegenden Oberfläche desselben durch die Einspritzöffnungen, und somit sind die Dichtungen durchgehend über beide Oberflächen des Separators durch Spritzgießen integriert.
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Insbesondere wird die Struktur einer Dichtung, die an jeder von Reaktions- und Kühlflächen eines herkömmlichen Separators gebildet ist, unter Bezugnahme auf 1 des Standes der Technik beschrieben. Jede der Reaktionsflächen 10 und 10' eines in 1 dargestellten Separators stellt einen Abschnitt dar, in dem eine Brennstoffzellenreaktion auftritt. In den Reaktionsflächen 10 und 10' sind Verteiler 20, 20', 22, 22', 24 und 24', die Durchlässe/Durchgänge für Luft, Kühlmittel und Wasserstoff bilden, angeordnet, und luftdichte Leitungen 30a und 30a' auf Seiten der Reaktionsflächen sind gebildet, um die Bewegung von Reaktionsgas und Kühlflüssigkeit zu blockieren/abzusperren. Eine Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 32a und 32a' sind parallel von den luftdichten Leitungen 30a und 30a' gebildet, um in vorgegebenen Abständen beabstandet zu sein. Darüber hinaus bewegt sich der Wasserstoff oder die Luft, der/die von Kühlflächen 12 und 12' des Separators eingeführt wird, zu den Reaktionsflächen 10 und 10' durch Gasdurchgangsöffnungen 40 und 40'.
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Zusätzlich stellt jede der Kühlflächen 12 und 12' des Separators einen Abschnitt dar, in dem durch eine chemische Reaktion erzeugte Wärme entfernt wird. In den Kühlflächen 12 und 12' sind Verteiler 20, 20', 22, 22', 24 und 24' angeordnet, die Durchgänge/Durchlässe für Luft, Kühlmittel und Wasserstoff bereitstellen, und luftdichte Leitungen 30b und 30b' auf Seite der Kühlfläche sind gebildet, um Kühlflüssigkeit einzubringen. Eine Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 32b und 32b' sind parallel von den luftdichten Leitungen 30b und 30b' gebildet, um in vorgegebenen Abständen beabstandet zu sein.
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Wie in 1 dargestellt, unterscheiden sich in der Dichtung die Positionen der kühlflächenseitigen luftdichten Leistungen 30b und 30b' und die reaktionsflächenseitigen luftdichten Leitungen 30a und 30a' voneinander, und die Dichtungsträgerabschnitte 32b und 32b' stützen/lagern die Last der Dichtung. Demzufolge kann sich der Anpressdruck/Kontaktdruck jeder luftdichten Leitung zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 32b und 32b' verschlechtern und Kühlmittel kann zu den Luftverteilern 20 und 20' oder den Wasserstoffverteilern 24 und 24' austreten/auslaufen.
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Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart sind, dienen lediglich der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt bereit einen Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung, die in der Lage ist, den Anpressdruck einer kühlflächenseitigen luftdichten Leitung durch zusätzliches Bilden einer luftdichten Neben-Leitung/Teil-Leitung in einem Bereich, in dem eine Gasöffnung an einer der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung des Separators entsprechenden kühlflächenseitigen Position nicht gebildet ist, zu verbessern.
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In einem Ausführungsbeispiel ist ein Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung vorgesehen und die Dichtung kann aufweisen kühlflächenseitige und reaktionsflächenseitige luftdichte Leitungen, die zwischen einem Verteilerabschnitt und einer Durchgangsfläche des Brennstoffzellenseparators gebildet sind, und einen Dichtungsträgerabschnitt, der einstückig/integral mit jeder der luftdichten Leitungen gebildet ist. Die Dichtung kann umfassen eine luftdichte Neben-Leitung, die mit der reaktionsflächenseitigen luftdichten Leitung in einem Bereich verbunden ist, in dem eine Gasöffnung in einem Bereich einer Reaktionsfläche des Separators nicht gebildet ist, der der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung entspricht.
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Ferner kann die Dichtung umfassen eine luftdichte Neben-Luftleitung als eine luftdichte Neben-Leitung, die gebildet ist an/auf einer Anodenreaktionsfläche des Separators, die mit einer anodenkühlflächenseitigen luftdichten Luftleitung verbunden ist, die gebildet ist zwischen einem Luftverteiler und einer Anodenkühlfläche des Separators, in einem Bereich, in dem eine Wasserstofföffnung in einem Bereich der Anodenreaktionsfläche nicht gebildet ist, der der anodenkühlflächenseitigen luftdichten Luftleitung entspricht. Die luftdichte Neben-Luftleitung kann eine Struktur aufweisen, in der Spitzen von Dichtungsträgerabschnitten, die zwischen dem Luftverteiler und der Anodenreaktionsfläche des Separators gebildet sind, einstückig/integral verbunden sind, und kann sich in Richtung der Anodenreaktionsfläche erstrecken. Die luftdichte Neben-Luftleitung kann eine Breite aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte einer Breite einer luftdichten Luftleitung ist, die zwischen dem Luftverteiler und der Anodenreaktionsfläche gebildet ist, und die gleich oder kleiner als das Doppelte der Breite der luftdichten Luftleitung ist.
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Alternativ kann die Dichtung umfassen eine luftdichte Neben-Wasserstoffleitung als eine luftdichte Neben-Leitung, die gebildet ist an/auf einer Kathodenreaktionsfläche des Separators, die verbunden ist mit einer kathodenkühlflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung, die gebildet ist zwischen einem Wasserstoffverteiler und einer Kathodenkühlfläche des Separators in einem Bereich, in dem eine Luftöffnung in einem Bereich der Kathodenreaktionsfläche nicht gebildet ist, der der kathodenkühlflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung entspricht. Die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung kann eine Struktur aufweisen, in der Spitzen von Dichtungsträgerabschnitten, die zwischen dem Wasserstoffverteiler und der Kathodenreaktionsfläche des Separators gebildet sind, einstückig/integral verbunden sind, und kann sich in Richtung der Kathodenreaktionsfläche erstrecken. Die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung kann eine Breite aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte einer Breite der luftdichten Wasserstoffleitung ist, die zwischen dem Wasserstoffverteiler und der Kathodenreaktionsfläche gebildet ist, und die gleich oder kleiner als das Doppelte der Breite der luftdichten Wasserstoffleitung ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
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1 eine Draufsicht, die eine Struktur einer Dichtung, die an jeder der Reaktions- und Kühlflächen eines Separators gebildet ist, gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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2 eine Draufsicht, die einen Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 eine vergrößerte Ansicht, die Hauptabschnitte des Brennstoffzellenseparators mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 eine vergrößerte Ansicht, die Hauptabschnitte eines Brennstoffzellenseparators mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 eine vergrößerte Ansicht, die Hauptabschnitte eines Brennstoffzellenseparators mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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6 einen Graphen, der das analysierte Ergebnis einer Anpressdruckverteilung einer kühlflächenseitigen luftdichten Leitung jeder Dichtung darstellt, wobei Proben eines Separators mit der Dichtung mit einer luftdichten Neben-Leitung gemäß der vorliegenden Erfindung und eines Separators mit der Dichtung ohne eine luftdichte Neben-Leitung gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind, um einer Verbesserung des Dichtungsanpressdrucks des Brennstoffzellenseparators mit einer Dichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu überprüfen.
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Offenbarung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt. In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Offenbarung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, ein schließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
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Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Offenbarung in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Offenbarung auf jene Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Offenbarung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Offenbarung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
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In einem Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können Dichtungen an beiden Flächen/Oberflächen eines Separators durch Spritzgießen integriert sein und können kontinuierlich verbunden sein, wodurch eine geschlossene Kurve gebildet ist. Unter Bezugnahme auf 2 können Brennstoffzellenseparatoren 100 und 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen Verteilerabschnitte 110 und 210, die aus Wasserstoffverteilern 112 und 212 und Kühlmittelverteilern 114 und 214, die an beiden seitlichen/lateralen Enden der Separatoren gebildet sind, und Luftverteilern 116 beziehungsweise 216 bestehen. Durchlassoberflächen (z. B. Reaktionsfläche und Kühlfläche) für Reaktionsgas und Kühlfluid können durchgehend in den Innenflächen/Innenbereichen der jeweiligen Separatoren 100 und 200 gebildet sein.
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Insbesondere können die Reaktionsfläche (d. h., Anodenreaktionsfläche) 122 für Wasserstoffgas und die Kühlfläche (d. h., Anodenkühlfläche) 124 für ein Kühlmittel jeweils an/auf beiden Flächen des der Anode der MEA (nicht gezeigt) zugewandten Anodenseparators 100 gebildet sein. Die Reaktionsfläche (d. h., Kathodenreaktionsfläche) 222 für Luft und die Kühlfläche (d. h., Kathodenkühlfläche) 224 für ein Kühlmittel können jeweils an beiden Flächen des der Kathode der MEA (nichtgezeigt) zugewandten Kathodenseparators 200 gebildet sein.
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Eine Mehrzahl von Gasöffnungen (z. B. Wasserstofföffnungen) 126 kann in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Wasserstoffverteiler 112, den Anodenreaktionsflächen und Anodenkühlflächen 122 und 124, die an beiden Enden des Anodenseparators 10 gebildet sind, angeordnet sein. Eine Mehrzahl von Gasöffnungen (z. B. Luftöffnungen) 226 kann in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Luftverteiler 216, den Kathodenreaktionsflächen und Kathodenkühlflächen 222 und 224, die an beiden Enden des Kathodenseparators 200 gebildet sind, angeordnet sein. Insbesondere wird die Dichtung, d. h., die in dem Anodenseparator 100 vorgesehene Anodendichtung 130 beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann die in dem Brennstoffzellenseparator gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehene Anodendichtung 130 umfassen eine Seitenleitung 132 und luftdichte Leitungen 134 und 135, die an den Anodenreaktionsflächen und Anodenkühlflächen 122 und 124 des Separators 100 gebildet sind, und eine Kühlmittelführungsleitung 139c, die an/auf der Anodenkühlfläche 124 gebildet ist. Die Seitenleitung 132 kann einstückig/integral entlang der gesamten Kante des Separators 100 an beiden Flächen davon gebildet sein, um zu verhindern, dass Reaktionsgas oder Kühlmittel nach außen strömt/fließt (z. B. abgeführt wird).
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Die luftdichten Leitungen 134 und 135 können umfassen eine reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 134, die sich einstückig in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen der Anodenreaktionsfläche 122 und dem Verteiler 110 des Separators 100 erstreckt, und eine kühlflächenseitige luftdichte Leitung 135, die sich in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen der Anodenkühlfläche 124 und dem Verteiler 110 des Separators 100 erstreckt. Beide Enden von jeder der reaktionsflächenseitigen luftdichten Leitung 134 und der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung 135 können einstückig/integral mit der Seitenleitung 132 verbunden sein.
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Insbesondere kann die reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 134 umfassen eine reaktionsflächenseitige luftdichte Wasserstoffleitung 134a, die sich in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Wasserstoffverteiler 112 und der Anodenreaktionsfläche 122 erstreckt, eine reaktionsflächenseitige luftdichte Luftleitung 134b, die sich einstückig/integral in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Luftverteiler 116 und der Anodenreaktionsfläche 122 erstreckt, und eine reaktionsflächenseitige luftdichte Kühlmittelleitung 134c, die einstückig/integral zwischen der luftdichten Wasserstoffleitung 134a und der luftdichten Luftleitung 134b angeschlossen ist und sich in der vertikalen Richtung des Separators 100 zwischen dem Kühlmittelverteiler 114 und der Anodenreaktionsfläche 122 erstreckt.
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Zusätzlich kann die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 135 umfassen eine kühlmittelflächenseitige luftdichte Wasserstoffleitung 135a, die sich einstückig/integral in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Wasserstoffverteiler 112 und der Anodenkühlfläche 124 erstreckt, und eine kühlflächenseitige luftdichte Luftleitung 135b, die sich einstückig/integral in der vertikalen Richtung der Breite des Separators 100 zwischen dem Luftverteiler 116 und der Anodenkühlfläche 124 erstreckt. Die reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 134 kann einstückig mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 138 gebildet sein, die sich von der luftdichten Leitung 134 zu der Anodenreaktionsfläche 122 erstrecken, und die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 135 kann mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 139 gebildet sein, die sich von der luftdichten Leitung 135 zu dem Verteiler 110 erstrecken.
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Die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 135 kann mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 139a gebildet sein, die sich von der luftdichten Luftleitung 135b zu dem Luftverteiler 116 in der lateralen/seitlichen Breitenrichtung des Separators 100 erstrecken, kann mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 139b gebildet sein, die sich von der luftdichten Wasserstoffleitung 135a zu dem Wasserstoffverteiler 112 in der lateralen/seitlichen Breitenrichtung des Separators 100 erstrecken, und können mit einer Mehrzahl von Kühlmittelführungsleitungen 139c gebildet sein, die sich in der lateralen/seitlichen Breitenrichtung des Separators 100 zwischen der Anodenkühlfläche 124 und dem Kühlmittelverteiler 114 erstrecken.
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Die Mehrzahl von Wasserstofföffnungen 126 kann in der vertikalen Breitenrichtung zwischen den luftdichten Wasserstoffleitungen 135a und dem Wasserstoffverteiler 112 angeordnet sein, und jede der Wasserstofföffnungen 126 kann zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 139b angeordnet sein. Jede der Kühlmittelführungsleitungen 139c kann ein Dichtungsträgerabschnitt sein und kann einstückig mit der luftdichten Kühlmittelleitung 134c der Anodenreaktionsfläche 122 gebildet sein, um an/auf der Anodenkühlfläche 124 angeordnet zu sein.
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Darüber hinaus kann eine luftdichte Neben-Luftleitung 142 in einem vorgegebenen Bereich der Anodenreaktionsfläche 122 gebildet sein, der der kühlflächenseitigen luftdichten Luftleitung 135b entspricht, um den Anpressdruck der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung 135 zu verbessern. Die luftdichte Neben-Luftleitung 142 kann einstückig mit der luftdichten Luftleitung 134b in einem Bereich gebildet sein, in dem die Gasöffnungen 126 nicht gebildet sind in dem vorgegebenen Bereich der Anodenreaktionsfläche 122, der der anodenkühlflächenseitigen luftdichten Leitung 135 entspricht (z. B. in einem öffnungsfreien Bereich). Die luftdichte Neben-Luftleitung 142 kann sich zu der Innenseite der luftdichten Luftleitung 134b erstrecken (d. h., sich erstrecken zu der Anodenreaktionsfläche 122 von dem Luftverteiler 116) und kann zwischen der luftdichten Luftleitung 134b und der Anodenreaktionsfläche 122 gebildet sein.
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Zum Beispiel, wie in 2 dargestellt, können in der luftdichten Neben-Luftleitung 142 die Spitzen der Dichtungsträgerabschnitte 138a, die zwischen dem Luftverteiler 116 und der Anodenreaktionsfläche 122 gebildet sind, einstückig verbunden sein und können sich linear in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 100 erstrecken. In einem anderen Beispiel, wie in 4 dargestellt, kann sich eine luftdichte Neben-Luftleitung 142-1 von einem Luftverteiler 116 zu der Anodenreaktionsfläche 122 in einem vorgegebenen Abstand in der vertikalen Breitenrichtung eines Separators 100 erstrecken und kann mit einer luftdichten Luftleitung 134b durch eine Seitenleitung 132 und einen Dichtungsträgerabschnitt 138, der an der Spitze der luftdichten Luftleitung 134b gebildet ist, verbunden sein. Insbesondere kann ein Raumabschnitt (z. B. ein freier Bereich, in dem ein Dichtungsmaterial nicht aufgebracht ist) 143 linear in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 100 zwischen der luftdichten Luftleitung 134b und der luftdichten Neben-Luftleitung 142-1 gebildet sein.
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In einem weiteren Beispiel, wie in 5 dargestellt, kann sich eine luftdichte Neben-Luftleitung 142-2 zu der Innenseite des Separators 100 erstrecken (d. h., von einem Luftverteiler 116 zu einer Anodenreaktionsfläche 122), um einstückig mit einer luftdichten Luftleitung 134b gebildet zu sein, und sich in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 100 erstreckt. Insbesondere muss ein Raumanschnitt (z. B. ein freier Bereich, in dem ein Dichtungsmaterial nicht aufgebracht ist) zwischen der luftdichten Luftleitung 134b und der luftdichten Neben-Luftleitung 142-2 nicht gebildet sein. Ferner kann die luftdichte Neben-Luftleitung 142 auf verschiedene Weise geändert werden und ist nicht auf die in 2 bis 5 dargestellten Formen beschränkt.
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Unter Bezugnahme auf 3 kann die luftdichte Neben-Luftleitung 142 eine Breite (W2) aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte der Breite (W1) der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 134b ist, die zwischen dem Luftverteiler 116 und der Anodenreaktionsfläche 122 gebildet ist, und die gleich oder kleiner als das Doppelte der Breite (W1) der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 134b sein kann, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn die Breite (W2) der luftdichten Neben-Luftleitung 142 kleiner als eine Hälfte der Breite (W1) der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 134b ist, kann sich die Spritzgussfähigkeit der Dichtung verschlechtern. Wenn die Breite (W2) der luftdichten Neben-Luftleitung 142 das Doppelte der Breite (W1) der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 134b überschreitet, kann eine Platzbeschränkung auftreten.
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Darüber hinaus kann die Dichtung in einem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 138a zwischen der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 134b und der anodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Neben-Luftleitung 142 eine Dicke aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte der Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, und die gleich oder kleiner als die Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn die Dicke der Dichtung in dem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 138a kleiner als eine Hälfte der Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, kann sich die Spritzgussfähigkeit der Dichtung verschlechtern. Wenn die Dicke der Dichtung in dem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 138a die Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) überschreitet, kann der Anpressdruck unsymmetrisch/einseitig sein. Insbesondere bezieht sich die Dicke/Stärke der Dichtung auf eine Dicke in der Richtung, in der Dichtungen 130 auf dem Separator 100 gestapelt sind.
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Darüber hinaus wird die Dichtung, d. h., die in dem Kathodenseparator 200 vorgesehene Kathodendichtung 230 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 2 kann die in dem Brennstoffzellenseparator vorgesehene Kathodendichtung 230 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen eine Seitenleitung 232 und luftdichte Leitungen 234 und 235, die an der Kathodenreaktionsflächen und Kathodenkühlflächen 222 und 224 des Separators 200 gebildet sind, und eine Kühlmittelführungsleitung 239c, die an der Kathodenkühlfläche 224 gebildet ist.
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Die Seitenleitung 232 kann einstückig entlang der gesamten Kante des Separators 200 an beiden Seiten davon gebildet sein, um zu verhindern, dass Reaktionsgas oder ein Kühlmittel nach außen strömen/fließen (z. B. abgeführt werden). Die luftdichten Leitungen 234 und 235 können umfassen eine reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 234, die sich einstückig in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen der Kathodenreaktionsfläche 222 und dem Verteiler 210 des Separators 200 erstreckt, und eine kühlflächenseitige luftdichte Leitung 235, die sich in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen der Kathodenkühlfläche 224 und dem Verteiler 210 des Separators 200 erstreckt. Beide Enden der reaktionsflächenseitigen luftdichten Leitung 234 und der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung 235 können einstückig mit der Seitenleitung 232 verbunden sein.
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Insbesondere kann die reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 234 umfassen eine kathodenreaktionsflächenseitige luftdichte Wasserstoffleitung 234a, die sich einstückig in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen dem Wasserstoffverteiler und der Kathodenreaktionsfläche 222 erstreckt, eine kathodenreaktionsflächenseitige luftdichte Luftleitung 234b, die sich einstückig in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen dem Luftverteiler 216 und der Kathodenreaktionsfläche 222 erstreckt, und eine kathodenreaktionsflächenseitige luftdichte Kühlmittelleitung 234c, die einstückig zwischen der luftdichten Wasserstoffleitung 234 und der luftdichten Luftleitung 234b angeschlossen ist und die sich in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen dem Kühlmittelverteiler 214 und der Kathodenreaktionsfläche 222 erstrecken kann.
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Darüber hinaus kann die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 235 umfassen eine kathodenkühlflächenseitige luftdichte Wasserstoffleitung 235a, die sich einstückig in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen dem Wasserstoffverteiler 212 und der Kathodenkühlfläche 224 erstreckt, und eine kathodenkühlflächenseitige luftdichte Luftleitung 235b, die sich einstückig in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen dem Luftverteiler 216 und der Kathodenkühlfläche 224 erstreckt. Die reaktionsflächenseitige luftdichte Leitung 234 kann einstückig mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 238 gebildet sein, die sich von der luftdichten Leitung 234 zu der Kathodenreaktionsfläche 222 erstrecken, und die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 235 kann einstückig mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 239 gebildet sein, die sich von der luftdichten Leitung 235 zu dem Verteiler 210 erstrecken.
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Insbesondere kann die kühlflächenseitige luftdichte Leitung 235 mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 239a gebildet sein, die sich von der luftdichten Luftleitung 235b zu dem Luftverteiler 215 in der lateralen Breitenrichtung des Separators 200 erstrecken, und kann mit einer Mehrzahl von Dichtungsträgerabschnitten 239b gebildet sein, die sich von der luftdichten Wasserstoffleitung 235a zu dem Wasserstoffverteiler 212 in der lateralen Breitenrichtung des Separators 200 erstrecken, und kann mit einer Mehrzahl von Kühlmittelführungsleitungen 239c gebildet sein, die sich in der lateralen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen der Kathodenkühlfläche 224 und dem Kühlmittelverteiler 214 erstrecken.
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Die Mehrzahl von Luftöffnungen 226 kann in der vertikalen Breitenrichtung zwischen den luftdichten Luftleitungen 234a und dem Luftverteiler 216 angeordnet sein und jede der Luftöffnungen 226 kann zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 238a angeordnet sein. Ferner kann jede der Kühlmittelführungsleitungen 239c ein Dichtungsträgerabschnitt sein, der einstückig mit der luftdichten Kühlmittelleitung 234c der Kathodenreaktionsfläche 222 gebildet ist, um an der Kathodenkühlfläche 224 angeordnet zu sein.
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Darüber hinaus kann eine luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242 in einem vorgegebenen Bereich der Kathodenreaktionsfläche 222 gebildet sein, der der kathodenkühlflächenseitigen luftdichten Luftleitung 235b entspricht, um den Anpressdruck der kathodenkühlflächenseitigen luftdichten Leitung 235 zu verbessern. Die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242 kann einstückig mit der luftdichten Wasserstoffleitung 234 in einem Bereich gebildet sein, in dem die Luftöffnungen 226 in dem vorgegebenen Bereich der Kathodenreaktionsfläche 222 nicht gebildet sind, der der kathodenkühlflächenseitigen luftdichten Leitung 235 entspricht. Die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242 kann sich zu der Innenseite der luftdichten Wasserstoffleitung 234a erstrecken (d. h., sich erstrecken zu der Kathodenreaktionsfläche 222 von dem Wasserstoffverteiler 212) und kann zwischen der luftdichten Wasserstoffleitung 234a und der Kathodenreaktionsfläche 222 gebildet sein.
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Zum Beispiel, wie in 2 dargestellt, können in der luftdichten Neben-Wasserstoffleitung 242 die Spitzen der Dichtungsträgerabschnitte 238a, die zwischen dem Wasserstoffverteiler 212 und der Kathodenreaktionsfläche 222 gebildet sind, einstückig sein und können sich linear in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 erstrecken. In einem anderen Beispiel, wie in 4 dargestellt, kann sich eine luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242-1 von einem Wasserstoffverteiler zu einer Kathodenreaktionsfläche 222 in einem vorgegebenen Abstand in der vertikalen Breitenrichtung eines Separators 200 erstrecken und kann mit einer luftdichten Wasserstoffleitung 234a durch eine Seitenleitung 232 und einen an der Spitze der luftdichten Wasserstoffleitung 234a gebildeten Dichtungsträgerabschnitt 238a verbunden sein. Insbesondere kann ein Raumabschnitt (z. B. ein freier Bereich, in dem ein Dichtungsmaterial nicht aufgebracht ist) 234 linear in der vertikalen Breitenrichtung des Separators 200 zwischen der luftdichten Wasserstoffleitung 234a und der luftdichten Neben-Wasserstoffleitung 242-1 gebildet sein.
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In einem weiteren Beispiel, wie in 5 dargestellt, kann sich eine luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242-2 zu der Innenseite eines Separators 200 erstrecken (d. h., von einem Wasserstoffverteiler 212 zu einer Kathodenreaktionsfläche 222), um einstückig mit einer luftdichten Wasserstoffleitung 234a gebildet zu sein, und sich in der vertikalen Richtung des Separators 200 erstrecken. Insbesondere ist ein Raumabschnitt (z. B. ein freier Bereich, in dem ein Dichtungsmaterial nicht aufgebracht wird) nicht zwischen der luftdichten Wasserstoffleitung 234 und der luftdichten Neben-Wasserstoffleitung 242-2 gebildet. Ferner kann die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242 auf verschiedene Weise geändert werden und ist nicht auf die in 2 bis 5 dargestellten Formen beschränkt.
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Die luftdichte Neben-Wasserstoffleitung 242 kann eine Breite (W2) aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte der Breite (W1) der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung 234a ist, die zwischen dem Wasserstoffverteiler 212 und der Kathodenreaktionsfläche 222 gebildet ist, und gleich oder kleiner als das Doppelte der Breite (W1) der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung 234a sein, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn die Breite (W2) der luftdichten Neben-Wasserstoffleitung 242 kleiner als eine Hälfte der Breite (W1) der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung 234a ist, kann sich die Spritzgussfähigkeit der Dichtung verschlechtern. Wenn die Breite (W2) der luftdichten Neben-Wasserstoffleitung 242 die Breite (W1) der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Wasserstoffleitung 234a zweimal überschreitet, kann eine Platzbeschränkung auftreten.
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Darüber hinaus kann die Dichtung in einem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten 238a zwischen der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Luftleitung 234b und der kathodenreaktionsflächenseitigen luftdichten Neben-Wasserstoffdichtung 242 eine Dicke aufweisen, die gleich oder größer als eine Hälfte der Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, und gleich oder kleiner als die Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn die Dicke der Dichtung in dem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten kleiner als eine Hälfte der Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) ist, kann sich die Spritzgussfähigkeit der Dichtung verschlechtern. Wenn die Dicke der Dichtung in dem Bereich (R1) zwischen den Dichtungsträgerabschnitten die Dicke der Dichtung in anderen Bereichen als dem obigen Bereich (R1) überschreitet, kann der Anpressdruck der Dichtung einseitig sein.
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Insbesondere, um eine Verbesserung des Anpressdrucks der Dichtung des Brennstoffzellenseparators mit einer Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu überprüfen, nachdem Proben des in 2 dargestellten Separators (mit der Dichtung mit der luftdichten Neben-Leitung) und des in 1 dargestellten Separators (mit der Dichtung ohne die luftdichte Neben-Leitung) hergestellt wurden, kann die Anpressdruckverteilung der kühlflächenseitigen luftdichten Leitung von jeder Dichtung analysiert werden. Als ein Ergebnis, wie in 6 dargestellt, ist der Anpressdruck des Separators mit der die luftdichte Neben-Leitung aufweisenden Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung höher als der Anpressdruck des Separators mit der Dichtung ohne die luftdichte Neben-Leitung gemäß dem Stand der Technik.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann es gemäß einem Brennstoffzellenseparator mit einer Dichtung für eine verbesserte Abdichtung der vorliegenden Erfindung möglich sein, eine Verschlechterung des Anpressdrucks einer luftdichten Leitung zwischen Dichtungsträgerabschnitten zu verbessern. Darüber hinaus kann es möglich sein, zu verhindern, dass Kühlmittel in einen Luftverteiler oder einen Wasserstoffverteiler aufgrund eines Austritts (Leckage) des Kühlmittels an dem Abschnitt, in dem sich der Anpressdruck der luftdichten Leitung verschlechtert, eingeführt wird.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben ausführlich beschrieben worden. Es versteht sich jedoch für einen Durchschnittsfachmann, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei der Umfang derselben in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
