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HINTERGRUND
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Brennstoffzellensysteme werden zunehmend als Energiequelle in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Brennstoffzellensysteme wurden zur Verwendung in Leistungsverbrauchern, wie beispielsweise Fahrzeugen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Brennstoffzellen können auch als stationäre elektrische Kraftwerke in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die zum Laden von Batterien oder zum Bereitstellen von Strom für einen Elektromotor verwendet wird.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff führen zusammen zur Bildung von Wasser. Weitere Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle gewonnene synthetische Brennstoffe, können verwendet werden.
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Das grundlegende Verfahren, das von einer Brennstoffzelle genutzt wird, ist effizient, im Wesentlichen schadstofffrei, leise, frei von beweglichen Teilen (außer einem Luftkompressor, Kühlventilatoren, Pumpen und Aktuatoren) und kann so konstruiert sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um sich entweder auf eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu beziehen, abhängig von dem Kontext, in dem sie verwendet wird. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird typischerweise gebündelt, um einen Stapel mit der Vielzahl von Zellen zu bilden, die üblicherweise in elektrischen Reihen angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen zu Stapeln unterschiedlicher Größe zusammengebaut werden können, können Systeme so ausgelegt werden, dass sie ein gewünschtes Energieabgabe-Niveau erzeugen, das eine flexible Gestaltung für verschiedene Anwendungen ermöglicht.
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Es können verschiedene Brennstoffzellentypen, wie Phosphorsäure, alkalische, Schmelzkarbonat, Festoxid- und Protonenaustauschmembran (PEM), bereitgestellt werden. Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist einseitig mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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In einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA zwischen „Anoden“- und „Kathoden“-Diffusionsmedien (nachfolgend „DMs“) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitfähigen und gasdurchlässigen Material, wie Kohlenstoffgewebe oder Papier, geformt sind. Die DMs dienen als primäre Stromsammler für die Anode und Kathode und bieten mechanische Unterstützung für die MEA. Die DMs und MEA sind zwischen einem elektronisch leitfähigen Plattenpaar gedrückt, die als Sekundärstromabnehmer dienen, um den Strom von den Primärstromabnehmern abzunehmen. Die Platten leiten im Fall von Bipolarplatten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels und leiten Strom außerhalb des Stapels (im Fall von monopolaren Platten am Ende des Stapels).
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Die Bipolarplatten beinhalten typischerweise zwei dünne, gegenüberliegende Bleche oder Halbplatten. Eines der Bleche definiert einen Strömungsweg auf einer äußeren Oberfläche davon zur Abgabe des Kraftstoffs an die Anode der MEA. Eine äußere Oberfläche des anderen Bleches definiert einen Strömungsweg für das Oxidationsmittel zur Abgabe an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Bleche miteinander verbunden sind, definieren die verbundenen Flächen einen Strömungsweg für ein dielektrisches Kühlfluid. Die Platten werden typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, bereitstellt, wie beispielsweise Edelstahl 316L.
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Der Stapel, der mehr als einhundert Platten enthalten kann, wird komprimiert und die Elemente werden über Bolzen durch Ecken des Stapels zusammengehalten und an Rahmen an den Enden des Stapels verankert. Um einem unerwünschtem Austreten von Fluiden zwischen den Plattenpaaren zu widerstehen, wird häufig eine Dichtung verwendet. Die Dichtung ist entlang einer Umfangskante der Plattenpaare angeordnet. Dichtungen nach dem Stand der Technik haben die Verwendung eines elastomeren Materials in Verbindung mit einer in die Bipolarplatte gestanzten Wulst beinhaltet.
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Es wäre wünschenswert, eine Metallwulstdichtung zum Abdichten zwischen Platten eines Brennstoffzellensystems herzustellen, wobei die Wulststruktur einem Austreten von Fluiden aus dem Brennstoffzellensystem entgegenwirkt und deren Kosten minimiert werden.
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KURZDARSTELLUNG
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Es werden Verfahren zur Konstruktion einer Halbplatte einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Verfahren beinhalten das Bereitstellen einer Halbplatte, die einen Metallwulst definiert, das Bestimmen eines Druckprofils des Metallwulsts in einem komprimierten Zustand und das Einstellen einer Höhe des Metallwulsts an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils zu erhöhen. Das Druckprofil des Metallwulsts umfasst eine Vielzahl von Druckmessungen an verschiedenen Stellen des Metallwulsts, während sie sich im komprimierten Zustand befindet. Das Erhöhen der Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils kann das Reduzieren eines Bereichs der Vielzahl von Druckmessungen beinhalten. Der komprimierte Zustand des Metallwulsts wird durch mechanische Kompression des Metallwulsts erreicht. Der komprimierte Zustand des Metallwulsts kann über eine Finite-Elemente-Analyse-Simulation erreicht werden. Die Erhöhung der Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils kann das Reduzieren der Höhe des Metallwulsts an Stellen beinhalten, die im Verhältnis zu einem mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen und/oder die Höhe des Metallwulsts an Stellen erhöhen, die geringere Drücke im komprimierten Zustand relativ zum mittleren Druck des Druckprofils aufweisen. Nach dem Einstellen der Höhe des Metallwulsts an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils zu erhöhen, kann die Höhe des Metallwulsts in mindestens einem Bereich davon von einer durchschnittlichen Höhe des Metallwulsts um mindestens 3 % variieren.
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Es werden Verfahren zur Konstruktion eines Paars Halbplatten einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Verfahren beinhalten das Bereitstellen einer ersten Halbplatte, die einen ersten Halbplattenmetallwulst definiert, wobei der erste Halbplattenmetallwulst aus der ersten Halbplatte herausragt, die eine konvexe Seite bildet, wodurch eine zweite Halbplatte bereitgestellt wird, die einen Metallwulst einer zweiten Platte definiert, worin der zweite Halbplattenmetallwulst aus der zweiten Halbplatte herausragt, die eine konvexe Seite bildet, das Bestimmen eines Druckprofils zwischen den konvexen Seiten des ersten Halbplattenmetallwulsts und des zweiten Halbplattenmetallwulsts an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichmäßigkeit des Druckprofils zu erhöhen. Das Druckprofil kann eine Vielzahl von Druckmessungen sein, die zwischen den konvexen Seiten der ersten Halbplattenmetallwulst und der zweiten Halbplattenmetallwulst an verschiedenen Stellen während des komprimierten Zustands aufgenommen werden. Das Erhöhen der Gleichförmigkeit des Druckprofils kann das Reduzieren eines Bereichs der Vielzahl von Druckmessungen beinhalten. Der komprimierte Zustand des Metallwulsts kann durch Zusammendrücken der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte erreicht werden, sodass die konvexen Seiten des ersten Halbplattenmetallwulsts und des zweiten Halbplattenmetallwulsts miteinander verbunden werden. Der komprimierte Zustand des Metallwulsts kann über eine Finite-Elemente-Analyse-Simulation erreicht werden. Die Erhöhung der Gleichförmigkeit des Druckprofils kann das Reduzieren der Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an Stellen beinhalten, die im Verhältnis zu einem mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen und/oder die Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an Stellen erhöhen, die geringere Drücke im komprimierten Zustand relativ zum mittleren Druck des Druckprofils aufweisen. Nach dem Einstellen der Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichförmigkeit des Druckprofils zu erhöhen, kann die Höhe des Metallwulsts in mindestens einem Bereich davon von einer durchschnittlichen Höhe des jeweiligen Metallwulsts um mindestens 3 % variieren.
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Brennstoffzellen sind vorgesehen und beinhalten eine erste Halbplatte, die einen Metallwulst einer ersten Halbplatte definiert, wobei der erste Halbplattenmetallwulst aus der ersten Halbplatte herausragt, die eine konvexe Seite bildet, und eine zweite Halbplatte, die einen Metallwulst einer zweiten Platte definiert, worin der zweite Halbplattenmetallwulst aus der zweiten Halbplatte herausragt, die eine konvexe Seite bildet. Die konvexe Seite des Metallwulsts der zweiten Platte kann mit der konvexen Seite des Metallwulstes der ersten Platte verbunden werden, und einer oder mehrere der Metallwülste der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert. Der eine oder mehrere Metallwülste der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert, bevor diese mit der anderen Platte verbunden wird. Der Metallwulst der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert. Der Metallwulst der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang der Länge des jeweiligen Metallwulsts variiert, bevor diese auf die andere Platte gestapelt wird. Eine durchschnittliche Höhe des Metallwulsts der ersten Platte und des Metallwulsts der zweiten Platte kann etwa 250 µm bis etwa 1000 µm betragen; und eine durchschnittliche Dicke der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte kann etwa 50 µm bis etwa 200 µm betragen. Die Höhe des Metallwulsts der ersten Platte und/oder des Metallwulsts der zweiten Platte kann von einer durchschnittlichen Höhe des jeweiligen Metallwulsts in mindestens einem Bereich um mindestens 3 % variieren.
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Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine erweiterte Ansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Metallwulstdichtung in einer Brennstoffzelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 3 veranschaulicht eine Draufsicht einer Bipolarplatte gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 4A veranschaulicht eine Querschnitts- und Teilansicht einer Bipolarplatte benachbart zu einer Metallwulst gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 4B veranschaulicht eine Querschnitt-Seitenansicht einer Halbplatte gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 5 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Entwerfen einer oder mehrerer Halbplatten einer Brennstoffzelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 6 veranschaulicht eine Teildraufsicht einer Halbplatte, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen einen Metallwulst umfasst.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
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1 zeigt einen veranschaulichenden bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 10. Der Einfachheit halber sind zwei Zellen im Stapel (d. h. drei Bipolarplatten 16, 22, 24) in 1 ausführlich beschrieben, wobei zu verstehen ist, dass ein typischer Stapel viel mehr derartiger Zellen und Bipolarplatten aufweist. In einigen Ausführungsformen sind an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels unipolare Platten vorgesehen, wobei die unipolare Platte die Strömungskanäle auf einer Kathodenseite oder Anodenseite der letzten Brennstoffzelle im Stapel beinhaltet. Obwohl sich die Struktur der unipolaren Platten für einen gegebenen PEM-Brennstoffzellenstapel leicht unterscheiden kann, ist beabsichtigt, dass der Verweis auf die hierin aufgeführten Bipolarplatten, einschließlich in den Ansprüchen, auch unipolare Platten beinhaltet. Es versteht sich ferner, dass die Elemente 7 und 9 zusätzliche optionale Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 darstellen. Obwohl ein bipolarer PEM-Brennstoffzellenstapel gezeigt ist, versteht es sich, dass auch andere Brennstoffzellenarten und -konfigurationen verwendet werden können, ohne von dem Umfang und Sinn der Offenbarung abzuweichen.
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Der veranschaulichende Brennstoffzellenstapel 10 beinhaltet eine erste MEA 12 und eine zweite MEA 14, die jeweils eine Elektrolytmembran aufweisen, die zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Bipolarplatte 16 ist zwischen der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 angeordnet. Die erste MEA 12, die zweite MEA 14 und die Bipolarplatte 16 sind innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zwischen Bipolarplatten 22, 24 gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind gegenüber den Bipolarplatten im Stapel elektrisch isoliert. So kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel 10 nach Bedarf 30-400 oder mehr Platten aufweisen.
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Eine Bipolarplatte beinhaltet im Allgemeinen zwei Strömungsfelder. Eine Arbeitsfläche jeder der Bipolarplatten 22, 24 sowie beide Arbeitsflächen der Bipolarplatte 16 enthalten ein jeweils mit 26, 32, 28, 30 gekennzeichnetes Strömungsfeld. Die Strömungsfelder (z. B. 26, 28, 30, 32) umfassen eine Vielzahl von Strömungskanälen und verteilen Reaktanden wie Wasserstoff und Sauerstoff/Luft über die Flächen der MEAs 12, 14. So kann beispielsweise eine bestimmte Bipolarplatte bei Bedarf etwa 10-50 Strömungskanäle oder mehr aufweisen.
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Nichtleitende Dichtungen 34, 36, 38, 40 können jeweils zwischen der Bipolarplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 und der zweiten MEA 14 und der Bipolarplatte 24 angeordnet sein. Die Dichtungen 34, 36, 38, 40 erleichtern eine Abdichtung und isolieren die Endplatte 22 und die erste MEA 12, die erste MEA 12 und die Bipolarplatte 16, die Bipolarplatte 16 und die zweite MEA 14 und die zweite MEA 14 und die Bipolarplatte 24 elektrisch.
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Die MEAs 12, 14 des veranschaulichenden Brennstoffzellenstapels 10 können nichtleitende Unterdichtungen oder Barrierefolien 42, 44 aufweisen. Die Unterdichtungen 42, 44 erstrecken sich entweder allein oder in Verbindung mit den Dichtungen 34, 36, 38, 40 von den Kanten der Elektroden und erleichtern eine Abdichtung der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16 und der Bipolarplatte 16 und die zweite MEA 14. Die Unterdichtungen 42, 44 isolieren auch die erste MEA 12 und die Bipolarplatte 16 und die Bipolarplatte 16 und die zweite MEA 14 elektrisch. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Unterdichtungen 42, 44 jeweils integral mit den nichtleitenden Dichtungen 34, 36, 38, 40 ausgebildet sein. Die Unterdichtungen 42, 44 können auch integral mit der Elektrolytmembran ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen sind die Unterdichtungen 42, 44 aus einem anderen geeigneten, elektrisch nichtleitenden Material gebildet und jeweils mit den MEAs 12, 14 verbunden. Gemeinsam sind die MEAs 12, 14, die Dichtungen 34, 36, 38, 40 und die Unterdichtungen 42, 44 als Brennstoffzellen-„Softgoods“ oder „Softgood-Schichten“ bekannt.
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Gasdurchlässige DM 46, 48, 50, 52 liegen an jeweiligen Elektroden der ersten MEA 12 und der zweiten MEA 14 an. Die DM 46, 48, 50, 52 sind jeweils zwischen der Bipolarplatte 22 und der ersten MEA 12, der ersten MEA 12 und der Bipolarplatte 16, der Bipolarplatte 16 und der zweiten MEA 14 und der zweiten MEA 14 und der Bipolarplatte 24 angeordnet.
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Die Bipolarplatten 16, 22, 24 und die Dichtungen 34, 36, 38, 40 beinhalten jeweils eine Vielzahl von Öffnungen, die eine Kathodenzufuhröffnung 54 und eine Kathodenauslassöffnung 56, eine Kühlmittelzufuhröffnung 58 und eine Kühlmittelauslassöffnung 60 sowie eine Anodenzufuhröffnung 62 und eine Anodenauslassöffnung 64 beinhalten. Jede der vorgenannten Öffnungen kann eine oder eine Vielzahl von Öffnungen darstellen; so kann beispielsweise die Kathodenzufuhröffnung 54 und/oder die Anodenzufuhröffnung in einigen Ausführungsformen zwei Öffnungen darstellen. Die Anzahl der Öffnungen in Bezug auf die Kathode, Anode und das Kühlmittel kann je nach Designeinschränkungen und/oder Zielen variieren, wie einem Fachmann bekannt sein dürfte. Zufuhrverteiler und Auslasskrümmer des Brennstoffzellenstapels 10 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 54, 56, 58, 60, 62, 64 in den Bipolarplatten 16, 22, 24 und den Dichtungen 34, 36, 38, 40 gebildet. Das Wasserstoffgas wird über einen Anodeneinlassleitung einem Anodenzufuhrverteiler zugeführt (nicht dargestellt). Die Luft wird über eine Kathodeneinlassleitung (nicht gezeigt) an der Endplatte 18 einem Kathodenzufuhrverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt. Eine Anodenauslassleitung und eine Kathodenauslassleitung sind ebenfalls für einen Anodenauslasskrümmer bzw. einen Kathodenauslasskrümmer vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung (nicht gezeigt) ist auch an der Endplatte 18 vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an einen Kühlmittelzufuhrverteiler zu liefern. Eine Kühlmittelauslassleitung (nicht gezeigt) kann ebenfalls an der Endplatte 18 vorgesehen sein, um Kühlmittel aus einem Kühlmittelauslasskrümmer zu entfernen.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird jedes des Paares von herkömmlichen Bipolarplatten 16 aus einer ersten Halbplatte 301 und einer zweiten Halbplatte 302 gebildet, worin jede Halbplatte eine erste Seite 321 und eine zweite Seite 322 aufweist. Die erste Halbplatte 301 ist mit der zweiten Halbplatte 302 so verbunden, dass die zweiten Seiten 322 jeder Halbplatte aneinanderhängend sind. Die verbundenen ersten und zweiten Halbplatten 301, 302 bilden (nicht dargestellt) interne Kanäle angrenzend an das Strömungsfeld 28, 30 (1) jedes Paares von Bipolarplatten 16, durch die das Kühlmittel für die Temperaturregulierung des veranschaulichenden Brennstoffzellenstapels 10 strömen kann. Die ersten und die zweiten Halbplatten 301, 302 können durch mindestens eines aus einer Vielzahl von geeigneten Mitteln, die in der Technik bekannt sind, wie zum Beispiel durch Schweißen oder durch Auftragen eines Klebstoffes, verbunden werden. Andere geeignete Mittel zum Verbinden der ersten Halbplatte 301 mit der zweiten Halbplatte 302 können nach Wunsch ausgewählt werden.
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Die Bipolarplatten 16, 22, 24 des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels 10 weisen eine weichere Schicht 304 auf, wie beispielsweise mindestens eine der Dichtungen 34, 36, 38, 40 und der Unterdichtungen 42, 44, die beispielsweise zwischen jeder Bipolarplatte 16, 22, 24 angeordnet sind. Der einzelne Wulst 200 ist an jeder der beiden Bipolarplatten 16, 22, 24 ausgebildet. Der einzelne Wulst 200 weist eine im Wesentlichen bogenförmige Oberfläche auf, wie in 2 dargestellt, obwohl auch andere geometrische Konfigurationen praktikabel sind. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die einzelne Wulst 200 durch einen Stanzvorgang gebildet werden, der an den ersten und den zweiten Halbplatten 301, 302 durchgeführt wird. Die einzelnen Wülste 200 jedes Paares von Bipolarplatten 16 schließen die weichere Schicht 304 ein, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 in den komprimierten Zustand versetzt wird. Im komprimierten Zustand ergibt ein Kontakt zwischen den einzelnen Wülsten 200 eine Dichtung 306. Die weichere Schicht 304 kann auch als Mikroabdichtung bezeichnet werden. Eine Mikrodichtung kann eine Dicke (z. B. die Dicke 418, wie in 4A dargestellt) von etwa 0,01 mm bis etwa 0,3 mm, etwa 0,02 bis etwa 0,2 mm oder etwa 0,03 bis etwa 0,15 mm aufweisen. Eine Mikrodichtung kann eine Dicke von bis zu etwa 0,3 mm, bis zu etwa 0,2 mm oder bis etwa 0,1 mm umfassen. Eine Mikrodichtung kann ein elastomeres Material umfassen. Geeignete elastomere Materialien können eines oder mehrere von EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), HNBR (hydriertes Acrylnitril-Butadien), NBR (Acrylnitril-Butadien), VMQ (Silikon), FVMQ (Fluorsilikon) und FKM (Fluorpolymer) umfassen, unter anderem. Eine Mikrodichtung kann beispielsweise im Siebdruckverfahren aufgebracht werden.
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Da Kompressionsbelastungen 305 (2) auf die einzelnen Wülste der Brennstoffzelle angewendet werden, neigen die Wülste jedoch dazu, abgeflacht zu werden, wenn sowohl die obere als auch die untere Platte sich seitlich entlang der lateralen Richtung 307 bewegen, wie in 2 gezeigt, da der Wulst Energie von den Kompressionslasten 305 absorbiert. Die Abflachungsverformung im traditionellen Wulst von 2 kann daher die fluiddichte Abdichtung 306 zwischen zwei Bipolarplatten beeinträchtigen.
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Eine exemplarische Bipolarplatte 404 der vorliegenden Offenbarung ist in 3 ausführlicher dargestellt. Die Bipolarplatte 404 beinhaltet eine Vielzahl von darauf gebildeten Metallwulstdichtungen, einschließlich einer umlaufenden Metallwulstdichtung 402, und eine Vielzahl von Metallwulstdichtungen 403 mit Öffnung. Die Metallwulstdichtung 402 ist typischerweise an der Bipolarplatte 404 angrenzend an oder benachbart zur Umfangs- oder Außenkante 401 (3) derselben ausgebildet. Die Vielzahl von Metallwulstdichtungen 403 sind jeweils benachbart zu einer jeweiligen Öffnungsposition angeordnet. Jede Öffnung der Bipolarplatte 404 (z. B. 554, 556, 558, 560, 562, 564) erfolgt an einer eindeutigen, entsprechenden Öffnungsposition.
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Jede Metallwulstdichtung umfasst zwei Metallwulste von zwei Halbplatten. 4A veranschaulicht eine Bipolarplatte 404, die eine erste Halbplatte 440 mit einer Wulst 406 umfasst, und eine zweite Halbplatte 442 mit einer Wulst 410, die im Allgemeinen eine Metallwulstdichtung bildet. Die Wulste 406 und 410 werden als im Allgemeinen symmetrisch dargestellt, wobei asymmetrische Wulste jedoch in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen. Weiterhin sind die Wulste 406 und 410 als trapezförmige Wulste dargestellt. Wie hierin verwendet, bezieht sich „trapezförmig“ auf eine Wulst mit zwei abgewinkelten Wänden 421, die mit einem zentralen oberen Abschnitt verbunden sind. Wie in 4A dargestellt, wird der zentrale obere Abschnitt 422 als im Wesentlichen flach dargestellt, wobei trapezförmige Wulste aber auch zentrale obere Abschnitte beinhalten können, die konkav oder konvex sind (z. B. gebogene konkave oder gebogene konvexe Abschnitte). Die hierin beschriebenen Metallwulste können von unterschiedlichen Geometrien sein, die nicht auf die in den 2 und 4A-B beschriebenen beschränkt sind. In einer besonderen Ausführungsform umfasst jede Halbplatte, die in Bezug auf die Halbplatte 440 beschrieben ist, eine Wulst 406, die durch einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 422 und zwei Seitenwände 421 definiert ist, die gemeinsam aus der Halbplatte 440 herausragen und eine erste, konvexe Seite 423 und eine zweite, konkave Seite 424 der Wulst 406 definieren. In weiteren Ausführungsformen kann der flache Abschnitt 422 nach Bedarf konvex oder konkav sein. Der flache Abschnitt 422 befindet sich benachbart zu einem zentralen Abschnitt der Wulst 406, bei dem die Höhe 408 der Wulst maximal ist. Der flache Abschnitt 422 kann eine Länge 425 aufweisen, die im Allgemeinen nicht größer ist als die Länge 426 der Wulst 406.
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4B veranschaulicht eine Querschnitts-Seitenansicht eines Abschnitts der Halbplatte 440, der Wulst 406, einen Kompressionsbegrenzer 430 und zwei Strömungskanäle 435. Eine Halbplatte, wie beispielsweise die Halbplatte 440, kann mehr oder weniger Wulste 406, Kompressionsbegrenzer 430 und Strömungskanäle 435 je nach Bedarf aufweisen. Der Kompressionsbegrenzer 430 weist eine Höhe 431 auf, die kleiner als die Wulsthöhe 408 und größer als die Höhe der Strömungskanäle 436 ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Vielzahl von Strömungskanälen 435 unterschiedliche Höhen aufweisen, wobei jedoch alle diese Höhen kleiner sind als die Höhe des Kompressionsbegrenzers 431.
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In einem Brennstoffzellenstapel (z. B. Brennstoffzellenstapel 10 aus 2) werden die konvexen Seiten von zwei Metallwülsten aus benachbarten Bipolarplatten verbunden, um eine Dichtung zu formen (z. B. die Dichtung 306 zwischen angrenzenden Halbplatten 302 und 301 und eine weichere Schicht 304 aus 2). Ungleichmäßigkeiten des Druckprofils zwischen den gepaarten Metallwülsten können zu undichten oder anderen Leistungsproblemen in der Nähe der Dichtung führen (z. B. Dichtung 306 aus 2). Dementsprechend veranschaulicht 5 ein Blockdiagramm eines Verfahrens 500 zum Entwerfen einer Halbplatte (z. B. einer Anode oder einer Kathode) einer Brennstoffzelle. Das Verfahren 500 zum Entwerfen einer Halbplatte einer Brennstoffzelle beinhaltet das 510 Bereitstellen einer Halbplatte (z. B. eine Anode oder eine Kathode), die einen Metallwulst definiert, das Bestimmen 520 eines Druckprofils des Metallwulsts in einem komprimierten Zustand und das Einstellen 530 einer Höhe des Metallwulsts an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils zu erhöhen.
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Der komprimierte Zustand des Metallwulsts kann z. B. durch mechanische Kompression des Metallwulsts erreicht werden. Ein Material, das durch Druck verformbar ist, kann während der Kompression zwischen zwei Metallwülsten positioniert werden, um ein Druckprofil zu messen, indem eine Vielzahl von Druckmessungen genommen wird, die an verschiedenen Stellen des Metallwulsts während des komprimierten Zustands aufgenommen werden, oder eine Vielzahl von Druckmessungen zu ermöglichen, die durch Untersuchung des Materials nach der Kompression bestimmt werden können. Derartige Materialien beinhalten druckempfindliches Papier oder Folie, ein plastisch verformbares Metall, umfassend eine Anordnung von erhöhten Punkten (z. B. durch Photoätzen hergestellt) oder metall- oder kunststoffgitterförmiges Material (z. B. gebildet aus Drähten oder Stabmaterialien mit runden Querschnitten) - sowie viele weitere Optionen. In einigen Ausführungsformen kann ein Druckprofil über Doppelbrechungstests unter Verwendung eines klaren Gegenstücks bestimmt werden. In anderen Ausführungsformen kann eine Dichtheitsprüfung (z. B. unter Verwendung von Sensoren oder Seife) und/oder eine visuelle Post-Test-Beobachtung von grobem Knicken und/oder Schäden an Weichteilen verwendet werden, um ein Druckprofil zu bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann der komprimierte Zustand des Metallwulsts durch eine Computersimulationstechnik, wie beispielsweise Finite-Elemente-Analyse und Balkentheorieanalysen, erreicht werden. Das Druckprofil des Metallwulsts besteht aus einer Vielzahl von Druckmessungen an verschiedenen Stellen des Metallwulsts, während dieser sich im komprimierten Zustand befindet. Das Erhöhen der Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils kann z. B. das Reduzieren eines Bereichs der Vielzahl von Druckmessungen beinhalten. Zusätzlich oder alternativ kann das Erhöhen der Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils das Verbessern der Metallwulst-Dichtungsleistung über einem Mindestschwellenwert beinhalten, während die Wulstdichtung unter einer Knickbelastung liegt. Die Knickbelastung kann als die Last definiert werden, bei der sich die Metallwulstdichtung so verformt, dass sie nicht mehr in der Lage ist, eine ausreichende Dichtung zu bilden.
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In einer Ausführungsform kann die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils erhöht werden, indem die Höhe des Metallwulsts an Stellen reduziert wird, die im Verhältnis zum mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils erhöht werden, indem die Höhe des Metallwulsts an Stellen erhöht wird, die im Verhältnis zum mittleren Druck des Druckprofils niedrigere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils erhöht werden, indem die Höhe des Metallwulsts an Stellen reduziert wird, die im Verhältnis zum mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen und die Höhe des Metallwulsts an Stellen erhöhen, die geringere Drücke im komprimierten Zustand relativ zum mittleren Druck des Druckprofils aufweisen.
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5 veranschaulicht gleichermaßen ein Blockdiagramm eines Verfahrens 500 zum Entwerfen eines Halbplattenpaars einer Brennstoffzelle, umfassend das Bereitstellen 510 einer ersten Halbplatte (z. B. einer Anode), die einen ersten Halbplattenmetallwulst definiert, und das Bereitstellen 510 einer zweiten Halbplatte (z.B. einer Kathode), die einen zweiten Halbplattenmetallwulst definiert. Der Metallwulst der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte ragt jeweils aus den jeweiligen Halbplatten heraus und bildet eine konvexe Seite. Jede konvexe Seite (z. B. konvexe Seite 423 der Halbplatte 440) definiert eine maximale Höhe (z. B. Höhe 408, wie in 4 dargestellt) des Metallwulsts. Verfahren 500 umfasst ferner das Bestimmen 520 eines Druckprofils zwischen den konvexen Seiten der ersten Halbplattenmetallwulst und der zweiten Halbplattenmetallwulst in einem komprimierten Zustand, und das Einstellen 530 einer Höhe der ersten Halbplattenmetallwulst und/oder der zweiten Halbplattenmetallwulst an einer oder mehreren Stellen, um die Gleichförmigkeit des Druckprofils zu erhöhen. Der komprimierte Zustand des Metallwulsts kann durch Zusammendrücken der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte erreicht werden, sodass z. B. die konvexen Seiten des ersten Halbplattenmetallwulsts und des zweiten Halbplattenmetallwulsts miteinander verbunden werden. Zusätzlich oder alternativ kann der komprimierte Zustand des Metallwulsts durch eine Computersimulationstechnik, wie beispielsweise Finite-Elemente-Analyse, modelliert werden. Das Druckprofil umfasst eine Vielzahl von Druckmessungen, die zwischen den konvexen Seiten des ersten Halbplattenmetallwulsts und des zweiten Halbplattenmetallwulsts an verschiedenen Stellen während des komprimierten Zustands aufgenommen werden. Das Erhöhen der Gleichförmigkeit des Druckprofils kann z. B. das Reduzieren eines Bereichs der Vielzahl von Druckmessungen beinhalten.
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Da die Erhöhung der Gleichförmigkeit des Druckprofils eines Metallwulstes die Leistung anderer Metallwulstdichtungen in einem gemeinsamen Brennstoffzellenstapel beeinträchtigen kann, kann das Verfahren 500 iterativ auf einer oder mehreren Metallwulstdichtungen in einem Brennstoffzellenstapel durchgeführt werden. Dementsprechend beinhaltet das Verfahren 500 auch das Erhöhen der Gleichförmigkeit eines Druckprofils einer Metallwulst in einer Metallwulstdichtung, um die Leistung einer anderen Metallwulst oder einer anderen Metallwulstdichtung zu verbessern.
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In einer Ausführungsform kann die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils erhöht werden, indem die Höhe der ersten Halbplattenmetallwulst und/oder der zweiten Halbplattenmetallwulst an Stellen reduziert wird, die im Verhältnis zum mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Gleichförmigkeit des Metallwulstdruckprofils erhöht werden, indem die Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an Stellen erhöht wird, die im Verhältnis zum mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen. In einer Ausführungsform kann Gleichförmigkeit des Druckprofils erhöht werden, indem die Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an Stellen reduziert wird, die im Verhältnis zu einem mittleren Druck des Druckprofils höhere Drücke im komprimierten Zustand aufweisen, und indem die Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und/oder des zweiten Halbplattenmetallwulsts an Stellen erhöht wird, die geringere Drücke im komprimierten Zustand relativ zum mittleren Druck des Druckprofils aufweisen. Die Höhe des ersten Halbplattenmetallwulsts und des zweiten Halbplattenmetallwulsts kann um die gleichen oder unterschiedlichen Mengen verstellt werden. In einer Ausführungsform kann die Höhe des ersten Halbplatten-Metallwulstes erhöht werden und die Höhe der zweiten Halbplatten-Metallwulst kann verringert werden, sodass die kollektive Höhenänderung beider Metallwülste wie gewünscht eingestellt wird (d. h. die kollektive Höhe wird erhöht, wenn der gemessene Druck, um den der Bereich der Höhenvariation unter dem mittleren Druck für das Druckprofil liegt, oder die kollektive Höhe verringert wird, wenn der gemessene Druck, um den der Bereich der Höhenänderung über dem mittleren Druck für das Druckprofil liegt) verringert wird.
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Verfahren 500 kann verwendet werden, um eine Brennstoffzelle zu entwerfen, die eine erste Halbplatte umfasst, die einen Metallwulst einer ersten Platte definiert, und eine zweite Halbplatte, die eine Metallwulst einer zweiten Platte definiert. Der Metallwulst der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte ragt jeweils aus den jeweiligen Halbplatten heraus und bildet eine konvexe Seite. Jede konvexe Seite (z. B. konvexe Seite 423 der Halbplatte 440) definiert eine maximale Höhe (z. B. Höhe 408, wie in 4 dargestellt) des Metallwulsts. Die konvexe Seite kann beispielsweise auf einer oder mehreren Seiten flach und/oder abgerundet sein. Die konvexe Seite des Metallwulsts der zweiten Platte wird mit der konvexen Seite des Metallwulsts der ersten Platte verbunden, und einer oder mehrere der Metallwülste der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert. Der Metallwulst der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können jeweils eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert.
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Ein oder mehrere Metallwülste der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte können eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang einer Länge des Metallwulsts variiert, bevor diese mit der anderen Platte verbunden wird. Der Metallwulst der ersten Platte und der Metallwulst der zweiten Platte könnenjeweils eine Wulsthöhe aufweisen, die entlang der Länge des jeweiligen Metallwulsts variiert, bevor diese auf die andere Platte gestapelt wird. Die durchschnittliche Höhe des Metallwulsts der ersten Platte und des Metallwulsts der zweiten Platte kann etwa 250 µm bis etwa 1000 µm betragen; und die durchschnittliche Dicke der ersten Halbplatte und der zweiten Halbplatte kann etwa 50 µm bis etwa 200 µm betragen. Die Höhe des Metallwulsts der ersten Platte und/oder des Metallwulsts der zweiten Platte kann von einer durchschnittlichen Höhe des jeweiligen Metallwulsts in mindestens einem Bereich um mindestens +/-2 %, um mindestens ca. +/-3 % oder um mindestens ca. +/-6 % variieren. BEISPIEL 1:
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Die Höhen von Metallwülsten mit ansonsten identischen Geometrien wurden variiert, um die Wirksamkeit des Verfahrens 500 bei der Erhöhung der Druckprofilgleichförmigkeit zu bestimmen. 6 veranschaulicht eine Draufsicht einer Halbplatte 600, die eine Metallwulst 610 umfasst. Die Halbplatte 600 wurde mit einer analogen Halbplatte verschweißt, um eine Bipolarplatte an den Schweißnähten 601 zu bilden. Die Metallwulst hatte eine gleichmäßige Höhe von 490 µm. Die Metallwulst 610 wurde auf eine Höhe von 370 µm komprimiert und dann vollständig in einem Finite-Elemente-Analysemodell entlastet. Bei einer durchschnittlichen Wulstdruckentlastung von 1,65 Mpa wies der Metallwulst 610 einen Druck von 0,85 Mpa bei Position 611, einen Druck von 2,88 Mpa bei Position 613 auf; und das Gesamtdruckprofil von Metallwulst 610 wies einen Bereich von 2,04 Mpa auf.
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Eine zweite Halbplatte 600 umfasste eine Metallwulst mit einer Höhe von 505 µm bei Position 611, einer Höhe von 490 µm an Position 612 und einer Höhe von 475 µm an Position 613. Der Metallwulst 610 wurde auf eine Höhe von 370 µm komprimiert und dann vollständig in einem Finite-Elemente-Analysemodell entlastet. Bei einer durchschnittlichen Wulstdruckentlastung von 1,65 Mpa wies der Metallwulst 610 einen Druck von 0,90 Mpa bei Position 611, einen Druck von 2,64 Mpa bei Position 613 auf; und das Gesamtdruckprofil von Metallwulst 610 wies einen Bereich von 1,73 Mpa auf. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Variieren der Höhe des Metallwulsts 610 dessen Druckprofilgleichförmigkeit verbessert
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Eine dritte Halbplatte 600 umfasste einen Metallwulst mit einer Höhe von 520 µm bei Position 611, eine Höher von 490 µm an Position 612 und einer Höhe von 460 µm an Position 613. Der Metallwulst 610 wurde auf eine Höhe von 370 µm komprimiert und dann vollständig in einem Finite-Elemente-Analysemodell entlastet. Bei einer durchschnittlichen Wulstdruckentlastung von 1,65 Mpa wies der Metallwulst 610 einen Druck von 0,96 Mpa bei Position 611, einen Druck von 2,51 Mpa bei Position 613 auf; und das Gesamtdruckprofil von Metallwulst 610 wies einen Bereich von 1,55 Mpa auf. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Variieren der Höhe des Metallwulsts 610 dessen Druckprofilgleichförmigkeit verbessert
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Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
