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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Brennstoffzellenaufbaus. Der Brennstoffzellenaufbau weist hierbei eine Membran auf, der auf einer ersten Seite eine Elektrode zugeordnet ist. Weiterhin ist eine Isolationslage vorgesehen, die auf der ersten Seite der Membran angeordnet und mit der Membran verbunden ist. Die Isolationslage dichtet die Elektrode in lateraler Richtung zumindest teilweise ab. Weiterhin weist der Brennstoffzellenaufbau eine Gasdiffusionslage auf, die ebenfalls in lateraler Richtung zumindest teilweise abgedichtet ist.
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In Brennstoffzellen findet eine chemische Reaktion statt, bei der Strom erzeugt wird. Aufgrund ihres Wirkungsgrades eignen sie sich insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, wie Bussen, Lastkraftwägen und Personenkraftwägen.
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Ein Brennstoffzellenaufbau der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
WO 2005/101554 A1 beschrieben. Die hier gezeigte Isolationslage ist auf einer ersten Seite der Membran angeordnet und dichtet die Elektrode in lateraler Richtung ab, wobei sie zusätzlich die Gasdiffusionslage mit der Membran einerseits und mit der Elektrode andererseits verbindet. Zusätzlich ist eine fluiddichte Schicht um die Gasdiffusionslage herum angeordnet. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass die in die Gasdiffusionslagen eintretenden Reaktionsgase (z.B. Wasserstoff oder Sauerstoff) in lateraler Richtung, d.h. seitlich aus der Gasdiffusionslage wieder austreten können und somit bei geringeren Druckverhältnissen nicht in ausreichendem Maße für eine Reaktion nahe der entsprechenden Elektrode zur Verfügung stehen.
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Weiterhin ist in der
WO 2007/088049 A1 ein Brennstoffzellenaufbau beschrieben, der einen Rahmen besitzt welcher in ein Dichtungsmaterial eingelassen ist und welcher eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) in lateraler Richtung verstärkt. Es ist hierbei allerdings notwendig, die einzelnen Komponenten, mithin die einzelnen Lagen des Brennstoffzellenaufbaus in vorgegebenen Abmessungen bereitzustellen, womit ein erhöhter Fertigungsaufwand zur Herstellung des Brennstoffzellenaufbaus verbunden ist. Ferner zeigt auch die
WO 2012/0442731 A1 einen Brennstoffzellenaufbau, der jedoch keine zusätzliche laterale Abdichtung der Gasdiffusionslagen vorsieht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenaufbau derart weiterzubilden, dass er gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten kompakter gebildet ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Brennstoffzellenaufbaus bereitzustellen.
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Die den Brennstoffzellenaufbau betreffende Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Brennstoffzellenaufbau gemäß dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Hierzu umfasst die Gasdiffusionslage an zumindest einem, vorzugsweise an allen Randbereichen einen aus einer Imprägnierlage gebildeten Dichtungsabschnitt. Der Randbereich der Gasdiffusionslage ist also mit dem Material der Imprägnierlage durchdrungen, so dass die Gasdiffusionslage in lateraler Richtung flüssigkeits- und/oder gasdicht bzw. fluiddicht gebildet ist.
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Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Dichtungsabschnitt mit der Isolationslage verbunden ist. Hierzu kann die Imprägnierlage aus einem Material bestehen, das an der Isolationslage haftet oder bindet und somit einen Stoffschluss zwischen dem Dichtungsabschnitt unter Isolationslage ausbildet.
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Eine alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationslage mit einer Ausnehmung gebildet ist, in der die Elektrode aufgenommen ist. Dabei wird die Elektrode vorzugsweise durch die Isolationslage eingefasst und ist mit dieser formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Hierdurch lässt sich die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) vor einer Korrosion schützen: Die Isolationslage dichtet dabei die Elektrode an mindestens einer, vorzugsweise an allen ihren Kanten in lateraler Richtung ab. In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung bindet, vorzugsweise stoffschlüssig, die Isolationslage die eingefasste oder gerahmte Elektrode an die Membran.
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Es hat sich in diesem Zusammenhang als sinnvoll erwiesen, wenn die Isolationslage einen Isolationsrahmen und eine den Isolationsrahmen mit der Membran verbindende Haftschicht umfasst. Der Isolationsrahmen ist vorzugsweise aus einem Polymer gebildet, der die üblicherweise in einer Brennstoffzelle vorgesehenen Gasdiffusionslagen voneinander elektrisch isoliert. Weiterhin ist gewährleistet, dass beim vorliegenden Brennstoffzellenaufbau die Gasdiffusionslage und die lonomer-Membran kontaktfrei zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Isolationsrahmen aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, dessen Schmelztemperatur höher ist als die Schmelztemperatur der Haftschicht. Damit ist der Vorteil verbunden, dass bei einem Heißpressvorgang lediglich die Haftschicht schmilzt und den Isolationsrahmen, vorzugsweise sogleich mit der Elektrode an die Membran bindet, ohne dass die so gebildete Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) an Stabilität einbüßt.
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Vorzugsweise ist der Isolationsrahmen dabei aus einem Polymer mit hohem Schmelzpunkt, insbesondere aus einem Polyethylennaphtalat (PEN) gebildet, das eine hohe Gasdichte einerseits und eine hohe Wärmeformbeständigkeit andererseits aufweist. Demgegenüber hat sich für die Haftschicht der Einsatz eines thermoplastischen Polymers mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, beispielsweise von Polyurethan oder von einem Polyurethangemisch, als vorteilhaft erwiesen.
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Von Vorteil ist auch, wenn die Imprägnierlage mit einem Durchtritt gebildet ist, dessen innere Abmessungen geringer gebildet sind als die entsprechenden äußeren Abmessungen der Elektrode. Der Durchtritt der Imprägnierlage bildet bei der Fertigung des Brennstoffzellenaufbaus dann denjenigen Bereich heraus, durch den im Betrieb das Reaktionsgas der Brennstoffzelle an die entsprechende Elektrode abgegeben wird.
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Nach einem Heißpressvorgang durchdringt das Material der Imprägnierlage die benachbarte Gasdiffusionslage und füllt insbesondere deren Poren auf. Der dabei entstehende Dichtungsabschnitt der Gasdiffusionslage bildet eine Überlappung mit der Elektrode. Es hat sich daher als bevorzugt erwiesen, dass der Dichtungsabschnitt der Gasdiffusionslage an die Elektrode, vorzugsweise stoffschlüssig, gebunden ist. Hierdurch wird die Gasdiffusionslage also insgesamt an die Elektrode gebunden.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches den Merkmalsbestand des Anspruchs 8 umfasst. Hierzu wird zunächst ein Stapel angefertigt, der zumindest eine erste Imprägnierlage, eine erste Gasdiffusionslage, eine erste Isolationslage, eine erste Elektrode und eine Membran umfasst. Hierzu können die einzelnen Lagen in eine Pressen-Form gegeben werden. Anschließend wird der vorbereitete Stapel in einer Heißpressvorrichtung derart gepresst bzw. laminiert, dass die erste Isolationslage stoffschlüssig mit der Membran verbunden wird, und derart, dass die erste Imprägnierlage die erste Gasdiffusionslage an zumindest einem Randbereich zumindest teilweise durchdringt. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Brennstoffzellenanordnung in einem einzigen Fertigungs- bzw. Heißpressvorgang hergestellt werden kann. In früheren Verfahren sind zunächst die Gasdiffusionslagen an ihren Kanten mit einem Imprägnierfilm imprägniert worden, um später einen Kurzschluss der sich gegenüberliegenden Gasdiffusionslagen zu verhindern. Die imprägnierten Gasdiffusionslagen wurden dann in einem zweiten Schritt mit der ebenfalls bereits heißgepressten Membran-Elektroden-Anordnung stoffschlüssig verbunden.
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Die beim erfindungsgemäßen Verfahren typischerweise verwendete Heißpressvorrichtung verfügt über zwei beheizbare, sich gegenüberliegende Pressplatten. Das Heißpressen erfolgt bei Temperaturen zwischen 50°C und 200°C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 80°C und 160°C, weiterhin vorzugsweise bei im Wesentlichen150°C. Zugleich wird durch die Heißpressvorrichtung ein Druck ausgeübt von zwischen 10N/cm2 und 270N/cm2, vorzugsweise von zwischen 100N/cm2 und 200N/cm2, weiterhin vorzugsweise von im Wesentlichen 150N/cm2. In Abhängigkeit der gewählten und zu laminierenden Materialien der Einzelkomponenten des Brennstoffzellenaufbaus kann der Heißpressvorgang von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden andauern.
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Der heißgepresste Stapel wird anschließend vorzugsweise auf eine vordefinierte Abmessung mittels einer Stanzvorrichtung gestanzt oder mittels einer Schneideeinrichtung zugeschnitten. Die vordefinierten Abmessungen sind vorgegeben durch die Abmessungen eines Brennstoffzellenstapels (Stack), in welchem mehrere der Brennstoffzellenanordnungen aneinandergereiht angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung und des Verfahrens besitzt die erste Imprägnierlage eine Dicke, die mindestens einer Dicke der ersten Gasdiffusionslage entspricht. Da die erste Imprägnierlage aus einem thermoplastischen Polymer, wie beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, PTFE, PVDF, Polyamid oder Polyurethan gebildet ist, schmilzt sie schneller als die temperaturbeständige erste Gasdiffusionslage. Letztere ist beispielsweise aus einem porösen und auf Kohlenstoff basierenden Substrat gebildet, welches durchlässig für die Reaktionsgase der Brennstoffzelle ist, und welches die Reaktionsgase gleichmäßig über die entsprechende Elektrode verteilt. Die Gasdiffusionslagen sind aufgrund ihrer Kohlenstoffbasis elektrisch leitfähig. Beim Schmelzen der ersten Imprägnierlage tritt das Material in die Poren am Randbereich der ersten Gasdiffusionslage und verdichtet oder verstopft sie und dichtet sie seitlich, vorzugsweise fluiddicht ab. Aufgrund der größeren Dicke der ersten Imprägnierlage gegenüber der Dicke der ersten Gasdiffusionslage wird der Randbereich der ersten Gasdiffusionslage vollständig mit dem Material der ersten Imprägnierlage durchtränkt, womit auf der der ersten Elektrode zugewandten Seite der ersten Gasdiffusionslage ein Überschuss des Materials der ersten Imprägnierlage vorhanden ist. Dieser Überschuss bindet stoffschlüssig an die erste Elektrode, so dass die am Randbereich imprägnierte erste Gasdiffusionslage ebenfalls mit der ersten Elektrode verbunden wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
- 1 eine geschnitten dargestellte Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaufbaus,
- 2 eine Schnittansicht des Brennstoffzellenaufbaus aus 1 nach dem Pressvorgang,
- 3 eine Schnittansicht des zugeschnittenen (fertigen) Brennstoffzellenaufbaus aus 2,
- 4 eine geschnitten dargestellte Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaufbaus,
- 5 eine Schnittansicht des Brennstoffzellenaufbaus aus 4 nach dem Pressvorgang, und
- 6 eine Schnittansicht des zugeschnittenen (fertigen) Brennstoffzellenaufbaus aus 4.
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In den Figuren sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung gezeigt. Hierbei ist eine semipermeable Membran 1 auf einer ersten Seite 2 mit einer ersten Elektrode 3 und auf einer zweiten Seite 22 mit einer zweiten Elektrode 32 bedeckt. Der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 32 können dabei Katalysatoren (aus Edelmetallen oder Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, etc.) als Reaktionsbeschleuniger zugeordnet sein. Die Membran 1 lässt Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für Elektronen (e-). Die Membran 1 ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) gebildet.
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In einer Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC), in einer Ameisensäure-Brennstoffzelle oder in einer Polymerlektrolytbrennstoffzelle (PEM) werden an der ersten Elektrode 3 (Anode) Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
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Während die Protonen durch die Membran 1 zur zweiten Elektrode 32 (Kathode) hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet. An der Kathode ist Sauerstoff oder Luft bereitgestellt, so dass hier die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Wie sich aus den Figuren ergibt, erstreckt sich die Membran 1 lateral, d. h. in seitlicher Richtung über die erste Elektrode 3 und die zweite Elektrode 32 hinaus, so dass mit anderen Worten ein lateraler Überstand 13 vorhanden ist. An diesem Überstand 13 ist eine erste Isolationslage 4 auf der ersten Seite 2 der Membran 1 und eine zweite Isolationslage 42 auf der zweiten Seite 22 der Membran 1 angeordnet. Die Isolationslagen 4, 42 dichten die Elektroden 3, 32 in lateraler Richtung ab, so dass Reaktionsgase nicht seitlich an den Kanten der Elektroden 3, 32 aus der Brennstoffzelle austreten können. Zugleich wirkt die Isolationslage 4, 42 elektrisch isolierend, so dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen der ersten Gasdiffusionslage 5 und der zweiten Gasdiffusionslage 52 auftreten kann.
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Die Isolationslagen 4, 42 sind mit einer Ausnehmung 7 gebildet, in der die betreffenden Elektrode 3, 32 aufgenommen sind. Insbesondere sind die Isolationslagen 4, 42 im gezeigten Ausführungsbeispiel als Isolationsrahmen 8, 82 gebildet, die mit der Membran stoffschlüssig durch eine Haftschicht 9, 92 verbunden sind. Gleichzeitig sind die Isolationsrahmen 8, 82 stoffschlüssig mit den Elektroden 3, 32 verbunden.
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Um die Reaktionsgase möglichst gleichmäßig über die Elektroden 3, 32 verteilen zu können ist der ersten Elektrode 3 eine erste Gasdiffusionslage 5 und der zweiten Elektrode 32 eine zweite Gasdiffusionslage 52 zugeordnet. Die erste Gasdiffusionslage 5 umfasst an zumindest einem Randbereich 12 einen aus einer ersten Imprägnierlage 10 gebildeten ersten Dichtungsabschnitt 6 und die zweite Gasdiffusionslage 52 umfasst an zumindest einem zweiten Randbereich 122 einen aus einer zweiten Imprägnierlage 102 gebildeten zweiten Dichtungsabschnitt 62.
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Die Dichtungsabschnitte 6, 62 bilden eine Überlappung 14 mit den Elektroden 3,32 aus derart, dass Reaktionsgase in lateraler Richtung nicht aus den Gasdiffusionslagen 5, 52 austreten können. Um jedoch die Reaktionsgase zu den entsprechenden Elektroden 3, 32 führen zu können weisen die Imprägnierlagen 10, 102 zentrale Durchtritte 11 auf.
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Die Ausführungsformen der 1 bis 3 unterscheiden sich von den Ausführungsformen der 4 bis 6 lediglich durch die Beschaffenheit und die Abmessungen der Imprägnierlagen 10, 102.
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Die Imprägnierlagen 10, 102 der Ausführungsform der 1 bis 3 weisen eine Dicke auf, die geringer ist als die Dicke der jeweils benachbarten Gasdiffusionslage 5, 52. Weiterhin sind die Durchtritte 11 im Querschnitt nur ungefähr halb so groß wie diejenigen der der Membran 1 abgewandten Oberflächen der Elektroden 3, 32. Nach einem Heißpressvorgang dringt das Material der Imprägnierlagen 10, 102 teilweise in die Gasdiffusionslagen 5, 52 ein. Zugleich werden jedoch die Gasdiffusionslagen 5, 52 im Bereich der Imprägnierlagen 10, 102 so stark komprimiert, so dass auch durch diese Komprimierung eine laterale Abdichtung der Gasdiffusionslagen 5, 52 entsteht.
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Die Imprägnierlagen 10, 102 der Ausführungsform der 4 bis 6 weisen eine Dicke auf, die vorliegend größer als die Dicke der jeweils benachbarten Gasdiffusionslage 5, 52 ist. Die Querschnitte der Durchtritte 11 sind nur geringfügig kleiner als diejenigen der der Membran 1 abgewandten Oberflächen der Elektroden 3, 32. Beim Heißpressvorgang dringt das Material der Imprägnierlagen 10, 102 vollständig in die Gasdiffusionslagen 5, 52 ein und bindet stoffschlüssig an die benachbarte Elektrode 3, 32. In einer alternativen Ausführungsform ist die Imprägnierlage 10, 102 aus einem Material gebildet, das zugleich auch stoffschlüssig an die Isolationslagen 4, 42 bzw. an deren Isolationsrahmen 8, 82 bindet.
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Die beiden exemplarischen Ausführungsformen werden wie folgt hergestellt: Zunächst wird eine Pressform bereitgestellt, in der ein Stapel angefertigt wird, der die erste Imprägnierlage 10 gefolgt von der ersten Gasdiffusionslage 5, den Isolationsrahmen 8, die rahmenförmige Haftschicht 9, die erste Elektrode 3, die Membran 1, die zweite Elektrode 32, die rahmenförmige zweite Haftschicht 92, den zweiten Isolationsrahmen 82, die zweite Gasdiffusionslage 52 und die zweite Imprägnierlage 102 umfasst.
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Die Isolationsrahmen 8, 82 sind aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, dessen Schmelztemperatur höher ist als die Schmelztemperatur der Haftschichten 9, 92. Die Imprägnierlagen 10, 102 sind ihrerseits aus einem Material gebildet, das eine geringere Schmelztemperatur als desjenigen der Isolationsrahmen 8, 82 besitzt.
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Der Stapel wird anschließend in einer Heißpressvorrichtung mit einem Druck von 150N/cm2 heißgepresst bei 150°C, und zwar so lange, bis die Isolationslagen 10, 102 mit den benachbarten Gasdiffusionslagen 5, 52 an ihren Randbereichen 12 verschmolzen sind. Das Material der Isolationslage 10, 102 füllt dabei die Poren der porösen Gasdiffusionslagen 5, 52. Weiterhin wird so viel Wärme zugeführt, dass auch die rahmenförmigen Haftschichten 9, 92 geschmolzen werden und die wärmebeständigen Isolationsrahmen 8, 82 zusammen mit den Elektroden 3, 32 an die Membran 1 binden.
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Obwohl die Dicke der Imprägnierlagen 10, 102 bei der Ausführungsform der 1 bis 3 geringer ist als die Dicke der benachbarten Gasdiffusionslagen 5, 52, genügt der zur Verfügung stehende Druck aus, um die Gasdiffusionslagen 5, 52 an ihren Randbereichen 12 so stark zu komprimieren, so dass eine laterale vorzugsweise fluiddichte Abdichtung der Gasdiffusionslagen 5, 52 entsteht.
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Bei der Ausführungsform der 4 bis 6 hingegen durchdringt das Material der Imprägnierlagen 10, 102 die benachbarten Gasdiffusionslagen 5, 52 vollständig und verbindet die Gasdiffusionslagen 5, 52 mit den jeweiligen Elektroden 3, 32 stoffschlüssig.
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Anschließend wird der heißgepresste Stapel mit einer Stanze auf eine vordefinierte Abmessung gestanzt. Dies ist in den 2 und 4 durch Stanzlinien 15 angedeutet. Typische Abmessungen für in Brennstoffzellenstapeln (Stacks) eingesetzte Brennstoffzellenanordnungen liegen im Bereich von 10cm X 10cm. Andere Abmessungen sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membran
- 2
- erste Seite
- 22
- zweite Seite
- 3
- Elektrode (erste)
- 32
- Elektrode (zweite)
- 4
- Isolationslage (erste)
- 42
- Isolationslage (zweite)
- 5
- Gasdiffusionslage (erste)
- 52
- Gasdiffusionslage (zweite)
- 6
- Dichtungsabschnitt (erster)
- 62
- Dichtungsabschnitt (zweiter)
- 7
- Ausdehnung
- 8
- Isolationsrahmen (erster)
- 82
- Isolationsrahmen (zweiter)
- 9
- Haftschicht (erste)
- 92
- Haftschicht (zweite)
- 10
- Imprägnierlage (erste)
- 102
- Impragnierlage (zweite)
- 11
- Durchtritt
- 12
- Randbereich
- 13
- Überstand
- 14
- Überlappung
- 15
- Schnitt-/Stanzlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/101554 A1 [0003]
- WO 2007/088049 A1 [0004]
- WO 2012/0442731 A1 [0004]
