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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit
einem Festpolymerelektrolyten für
den Gebrauch in tragbaren Stromquellen, Stromquellen für Elektrofahrzeuge,
häuslichen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen
und dergleichen, und insbesondere auf eine elektrisch leitende Separatorplatte
von ihr.
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Eine
Brennstoffzelle mit einem Festpolymerelektrolyten lässt ein
wasserstoffhaltiges Brennstoffgas elektrochemisch mit einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittelgas
wie Luft reagieren, um gleichzeitig elektrische Energie und Wärme zu erzeugen.
Eine solche Brennstoffzelle enthält
grundsätzlich
eine Polymerelektrolytmembran zum selektiven Transport von Wasserstoffionen
und ein Paar Elektroden, die die Polymerelektrolytmembran von beiden
Seiten umgeben. Die Elektrode umfasst eine Katalysatorschicht, die
hauptsächlich
aus einem Kohlenstoffpulver besteht, das einen Platingruppen-Metallkatalysator
trägt,
und eine auf der Außenfläche der
Katalysatorschicht ausgebildete Diffusionsschicht und hat sowohl
Gasdurchlässigkeit
als auch elektrische Leitfähigkeit.
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Damit
verhindert wird, dass das der Elektrode zuzuführende Gas entweicht oder dass
sich die beiden Gasarten miteinander mischen, sind am Rand der Elektroden
Gasabdichtungsbauteile oder Dichtungen angeordnet, wobei die Polymerelektrolytmembran
dazwischen liegt. Die Abdichtungsbauteile oder Dichtungen werden
vorher mit den Elektroden und der Polymerelektrolytmembran zu einer
Einheit zusammengebaut, wobei dies als MEA (Elektrolytmembran-Elektroden-Einheit)
bezeichnet wird. An den Außenseiten
der MEA werden leitende Separatorplatten angeordnet, um sie mechanisch
zu fixieren und um nebeneinander liegende MEAs miteinander elektrisch
in Reihe zu schalten. Am Ort jeder Separatorplatte, die mit der
MEA in Kontakt gebracht wird, ist ein Gasströmungskanal ausgebildet, um
der Elektrode ein reaktives Gas zuzuführen und um erzeugtes Gas und überschüssiges Gas
fortzutragen. Der Gasströmungskanal
kann zwar getrennt von der Separatorplatte vorgesehen werden, doch
ist es üblich,
in der Oberfläche
der Separatorplatte Nuten vorzusehen, die als Gasströmungskanal
dienen. Zum Zwecke der Zuführung
des jeweiligen Gas zu den den Gasströmungskanal bildenden Nuten
sind in jeder Separatorplatte dort, wo der Gasströmungskanal ausgebildet
ist, Durchgangslöcher
vorgesehen, um einen Gasverbindungskanal zu bilden, der durch den ganzen
Zellenstapel geht. Dieses Loch wird als Verteileröffnung bezeichnet.
Werden der Einlass und der Auslass des Gasströmungskanals mit der Verteileröffnung verbunden,
ist eine direkt Zufuhr jedes Gases von der Verteileröffnung in
den Gasströmungskanal
möglich.
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Da
die Brennstoffzelle während
des Betriebs Wärme
erzeugt, benötigt
sie eine Kühlung
mit Kühlwasser
oder dergleichen, um sie unter günstigen Temperaturbedingungen
zu halten. Normalerweise ist zwischen den Separatorplatten für jede erste
bis dritte Zelle ein Kühlabschnitt
zum Durchfluss von Kühlwasser
vorgesehen. Als Kühlabschnitt
wird häufig
auf der Rückseite
der Separatorplatte ein Kühlwasserströmungskanal
vorgesehen. Indem diese MEAs, Separatorplatten und Kühlabschnitte
abwechselnd zu einem Stapel von 10 bis 200 Zellen aufeinandergestapelt
werden, der Stapel von beiden Seiten über Stromsammelplatten und
Isolierplatten mit Endplatten versehen wird und er dann von den
beiden Enden aus mit Klemmbolzen fixiert wird, wird ein geläufiger Zellenstapel
gebildet.
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In
einer solchen Festpolymerbrennstoffzelle muss die Separatorplatte
eine hohe Leitfähigkeit
und Gasdichtheit sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber einer
Oxidations-/Reduktionsreaktion von Wasserstoff/Sauerstoff haben.
Aus diesem Grund ist bei einer herkömmlichen Separatorplatte üblicherweise
ein Kohlenstoffmaterial wie glasiger Kohlenstoff eingesetzt worden
und sind in ihr durch Schneiden oder Schleifen Gasströmungskanäle ausgebildet
worden.
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In
den letzten Jahren wurde jedoch der Versuch unternommen, eine Separatorplatte
anstatt durch die herkömmlich
verwendeten Kohlenstoffmaterialien durch einen Formprozess zu erzielen,
der ein Verbundmaterial aus Blähgraphit
(engl.: expanded graphite) oder Graphit und einem Harz oder dergleichen
verwendet.
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Bei
dem herkömmlichen
Verfahren, eine Kohlenstoffplatte zu schneiden, ist es schwierig
gewesen, die Materialkosten für
die Kohlenstoffplatte und auch die Kosten für das Schneiden von ihr zu verringern.
Bei dem Verfahren, das das oben genannte Verbundmaterial aus Blähgraphit
oder Graphit und Harz verwendet, kommt es außerdem zu dem folgenden Problem.
Und zwar gelangt beim Formen mit Hilfe einer Form bei der Druckbeaufschlagung
ein Ausgangsmaterial für
die Separatorplatte in einen Spalt zwischen einer oberen Form und
einer unteren Form, wo das Ausgangsmaterial abkühlt und erstarrt. Dadurch wird
ein Überlaufteil
gebildet. Außerdem
kann bei dem Verfahren, die Verteileröffnung nach dem Formvorgang
unter Verwendung einer Bearbeitungsmaschine wie einer Matrize oder
eines Bohrers zu bearbeiten, die Sengwirkung zwischen der Bearbeitungsmaschine
und dem Material eine Senkung bilden. Dieser Überlauf- oder Senkungsteil wird
normalerweise als Grate bezeichnet.
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Haben
sich in dem die Verteileröffnung
mit dem Gasströmungskanal
verbindenden Teil die Grate gebildet, verengt sich durch die Grate
die Querschnittsfläche
des Gasströmungskanals
und wird dadurch die Gaszufuhr zum Gasströmungskanal verhindert, was
zu einer schlechteren Zellenleistung führt. Des Weiteren verhindern
an der Auslassseite des Gasströmungskanals
ausgebildete Grate, dass Wassertropfen, die sich in dem Gasströmungskanal durch
die Kondensation von durch eine Elektrodenreaktion erzeugtem Wasser
bilden, aus dem Gasströmungskanal
abgeführt
werden, und kommt es daher zu einer Verstopfung des Gasströmungskanals,
was zu einer schlechteren Zellenleistung führt.
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Um
die oben genannte, durch die Grate verursachte Verschlechterung
der Zellenleistung zu verhindern, ist ein Gratentfernungsvorgang
durch Schneiden oder Schleifen erforderlich. Allerdings sind die
Kosten für
diesen Gratentfernungsvorgang aufgrund der komplexen Form des die
Verteileröffnung
mit dem Gasströmungskanal
verbindenden Teils hoch.
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In
der Druckschrift JP 2000-331691 (
US 6,524,735 B1 ) ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
offenbart, deren Separatorplatten mit Verteileröffnung versehen sind, in die
mittels einer gekrümmten
Oberfläche
Gasströmungskanaldurchgänge übergehen.
Mit Hilfe dieser Gestaltung lässt
sich der Druckverlust in dem Strömungsdurchgang wirksam verringern,
so dass den jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten das Fluid gleichmäßig und
problemlos zugeliefert werden kann.
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In
der Druckschrift WO 01/67532 A1 (
EP 1 265 303 A1 ) ist eine weitere gattungsgemäße Polymerelektrolytbrennstoffzelle
offenbart, die mit einer Vertiefung versehen ist, in der eine Vielzahl
von parallelen Rippen angeordnet ist, die einen Gasströmungskanal
bilden, der Verteileröffnungen
auf der Einlass- und Auslassseite der Zelle verbindet. Die Verteileröffnungen
sind am Boden der Vertiefung ausgebildet.
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Die
zusätzliche
Druckschrift
EP 0 951
086 A2 offenbart eine kompakte Polymerelektrolytenstoffzelle
mit Separatorplatten, die mit Gas führenden Verteileröffnungen
und Nuten ausgestattet sind.
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Angesichts
dessen, was zuvor beschrieben wurde, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle und ein Verfahren
zur Herstellung einer leitenden Separatorplatte für eine solche
Brennstoffzelle zur Verfügung
zu stellen, die für
eine verbesserte, behinderungsfreie Gasströmung zwischen dem Gasströmungskanal
und der Verteileröffnung
sorgen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung einer leitenden Separatorplatte
für eine
Brennstoffzelle nach Anspruch 4 gelöst. In den Unteransprüchen werden
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung angegeben.
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Der
Gasströmungskanal
wird bei der Erfindung nicht durch Grate eingeengt, die am Rand
der Verteileröffnung ausgebildet
sind, so dass der Einfluss der Grate auf die Strömungen eines Brennstoffgases
und eines Oxidationsmittelgases unterdrückt werden kann. Außerdem lassen
sich die Grate, die sich gebildet haben, leicht entfernen. Es können daher
die Kosten für
die Bearbeitung der Separatorplatte verringert werden.
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Die
neuartigen Merkmale der Erfindung stehen zwar insbesondere in den
beigefügten
Ansprüchen,
doch lässt
sich die Erfindung sowohl in Aufbau und Inhalt zusammen mit ihren
anderen Aufgaben und Merkmalen besser anhand der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstehen und einschätzen.
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1 zeigt
eine Vorderansichtsicht der Kathodenseite einer in einem Vergleichsbeispiel
verwendeten Separatorplatte.
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2 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1.
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3 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht entlang der Linie III-III von 1.
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4 zeigt
unter schrägem
Winkel die Umgebung einer einlassseitigen Oxidationsmittelgasverteileröffnung in
der oben genannten Separatorplatte.
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5 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht der oben genannten Separatorplatte
entlang der Linie II-II von 1, bevor
die Verteileröffnung
ausgestanzt wird.
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6 zeigt
eine Schnittansicht mit Herstellungsschritten einer Separatorplatte
bei einem in der Erfindung verwendeten Beispiel.
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7 zeigt
eine Schnittansicht mit Herstellungsschritten einer Separatorplatte
bei einem weiteren in der Erfindung verwendeten Beispiel.
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8 zeigt
eine Schnittansicht mit Herstellungsschritten einer Separatorplatte
bei noch einem weiteren in der Erfindung verwendeten Beispiel.
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9 zeigt
eine Rückansicht
der Separatorplatte von 1.
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10 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels entlang
der Linie XII-XII von 1.
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11 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht einer herkömmlichen Separatorplatte entlang einer
der Linie II-II
von 1 entsprechenden Linie.
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12 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht der herkömmlichen Separatorplatte entlang
einer der Linie III-III von 1 entsprechenden
Linie.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläuternde
Merkmale der Erfindung beschrieben. Die hier verwendeten strukturellen
Zeichnungen sollen lediglich das Verständnis der Erfindung erleichtern,
weswegen die relative Größe und der
Lagezusammenhang jedes Bauteils nicht unbedingt akkurat ist.
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Vergleichsbeispiel
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1 zeigt
eine Vorderansicht der Kathodenseite einer Separatorplatte gemäß diesem
Beispiel. 2 zeigt eine ausgedehnte Schnittansicht entlang
der Linie II-II von 1 und 3 eine ausgedehnte
Schnittansicht entlang der Linie III-III von 1. 4 zeigt
unter schrägem
Winkel die Umgebung einer einlassseitigen Verteileröffnung in
der Separatorplatte.
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Diese
Separatorplatte 10 wird unter Verwendung einer Form durch
Formen eines gekneteten Gemischs aus einem künstlichen Graphitpulver, faserförmigem Graphit
und einem wärmeaushärtenden Phenolharz
geformt und enthält
ein Paar Oxidationsmittelgasverteileröffnungen 11a und 11b,
ein Paar Brennstoffgasverteileröffnungen 12a und 12b und
ein Paar Kühlwasserverteileröffnungen 13a und 13b.
Die Separatorplatte 10 enthält auf der Kathodenseite außerdem einen
Oxidationsmittelgasströmungskanal 14,
um die Verteileröffnung 11a mit
der Verteileröffnung 11b zu
verbinden. Der Gasströmungskanal 14 wird
durch zueinander parallele Nuten gebildet, wobei zwischen diesen
parallelen Nuten Rippen 15 ausgebildet sind. Die Separatorplatte 10 enthält auf ihrer Rückseite
einen Gasströmungskanal,
um die Brennstoffgasverteileröffnung 12a mit
der Brennstoffgasverteileröffnung 12b zu
verbinden, oder einen Kühlwasserströmungskanal,
um die Kühlwasserverteileröffnung 13a mit
der Kühlwasserverteileröffnung 13b zu
verbinden.
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Die
Separatorplatte 10 dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet
sich von dem herkömmlichen Beispiel
dadurch, dass auf dem Rand jeder Verteileröffnung eine Stufe vorgesehen
ist, die so tief wie der Gasströmungskanal
oder der Kühlwasserkanal
ist. Im Folgenden wird zwar nur die Verteileröffnung 11a beschrieben,
doch haben die anderen Verteileröffnungen
den gleichen Aufbau wie die Verteileröffnung 11a.
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Auf
dem kathodenseitigen Rand der Verteileröffnung 11a ist eine
Stufe 16 ausgebildet. Diese Stufe ist so aufgebaut, dass
sie so tief wie die Einlassseite des Gasströmungskanals 14 ist.
Auf dem kathodenseitigen Rand der Verteileröffnung 11a sind Grate 17 ausgebildet.
Die Grate sind in den Zeichnungen nur auf dem kathodenseitigen Rand
der Verteileröffnung 11a gezeigt;
die in den anderen Teil gebildeten Grate wurden weggelassen.
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In
der Separatorplatte dieses Ausführungsbeispiels
ist also zwischen der Oxidationsgasverteileröffnung 11a und dem
Oxidationsgasströmungskanal 14 die
Stufe 16 ausgebildet, so dass sich der Rand der Öffnung 11a an
einer um eine Stufe tiefer liegenden Stelle befindet. Deswegen kann
das Oxidationsmittelgas auch dann, wenn auf dem Rand der Öffnung 11a Grate
ausgebildet sind, dem Gasströmungskanal 14 beinahe
ohne Behinderung zugeführt werden.
Wird auch auf dem Rand der Verteileröffnung 11b eine ähnliche
Stufe wie die Stufe 16 ausgebildet, können das Gas sowie erzeugtes
Wasser beinahe ohne Behinderung aus dem Gasströmungskanal 14 heraus
zur Verteileröffnung 11b abgeführt werden.
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Außerdem steht
die Verteileröffnung 11a durch
die Bildung der Stufe 16 über die Stufe hinweg mit dem
Gasströmungskanal 14 in
Verbindung. Da sich auf der Stufe 16 nichts Gleichwertiges
zur Rippe 15 befindet, lassen sich die Grate 17 leicht
mit Hilfe einer automatischen Maschine durch Schleifen entfernen.
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Die
oben genannten Vorteile werden bei einem Vergleich der 2 und 3 und
der 11 und 12, die
ein herkömmliches,
den 2 und 3 entsprechendes Beispiel zeigen,
offensichtlich. In der Separatorplatte 50 des herkömmlichen Beispiels
steht eine Oxidations mittelgasverteileröffnung 51 direkt mit
einem Oxidationsmittelgasströmungskanal 54 in
Verbindung. Das Ende jeder der zwischen den Nuten des Gasströmungskanals
ausgebildeten Rippen 55 befindet sich daher an der Kante
der Öffnung 51,
was zu der Bildung von Graten 56 führt, die auf dem Rand der Öffnung 51 zu
den Stirnflächen
der Rippen 55 weiterlaufen. Wie aus 12 hervorgeht,
behindern die Grate 56 die Zufuhr des Gases von der Öffnung 51 zum
Gasströmungskanal 54 und
das Abführen
des Gases und des erzeugten Wassers von der Seite des Gasströmungskanals 54 zur
Seite der Öffnung 51.
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Bei
diesem Vergleichsbeispiel lässt
sich eine solche Behinderung vermeiden. Das vorliegende Beispiel
ist besonders wirksam, wenn eine Vielzahl von wechselseitig parallelen
Nuten einen Gasströmungskanal
bildet.
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5 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht der Separatorplatte dieses Beispiels
entlang einer der Linie II-II von 1 entsprechenden
Linie nach dem Formen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, wird die Separatorplatte dieses
Beispiels derart durch Pressformen hergestellt, dass sie einen konkaven
Teil 11 enthält,
der etwas größer als
eine Verteileröffnung
in einem Teil ist, wo die Verteileröffnung ausgebildet werden soll. Die
Verteileröffnung
wird in dem Teil ausgebildet, der durch die Strichellinie in 5 angegeben
ist.
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Wenn
dabei die Breite der Stufe 16, also der Abstand „t" zwischen der Endfläche der
Rippe 15 und der Verteileröffnung 11a 0,01 mm
oder länger
ist, kann der Abstand „t" ausreichend die
Wirkung entfalten, den Einfluss der gebildeten Grate zu beseitigen. Der
Abstand „t" beträgt vorzugsweise
0,1 mm oder mehr. Angesichts einer Miniaturisierung des Brennstoffzellenstapels
ist es außerdem
wünschenswert, dass
der Abstand „t" 2 mm oder weniger
beträgt.
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Beispiel 1
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6 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht entlang einer der Linie II-II von 1 entsprechenden
Linie, die Herstellungsschritte einer Separatorplatte dieses Ausführungsbeispiels
angibt. 6(a) zeigt die Separatorplatte
nach dem Formen und 6(b) die Separatorplatte,
nachdem eine Verteileröffnung
ausgestanzt worden ist.
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Die
Separatorplatte dieses Beispiels wird derart durch Pressformen hergestellt,
dass sie wie in 6(a) gezeigt einen
konkaven Teil 20 enthält,
der etwas größer als
eine Verteileröffnung
in einem Teil ist, wo die Verteileröffnung ausgebildet werden soll, wobei
dann wie in 6(b) gezeigt mit Hilfe
einer Matrize ein Loch ausgestanzt wird, um eine Verteileröffnung zu
bilden. Beim Formen werden an der Stelle, wo die Verteileröffnung ausgestanzt
wird, zusammen mit dem konkaven Teil 20 Nute 24 und 25 mit V-förmigem Querschnitt
ausgebildet. Indem an dieser Stelle mit Hilfe einer Matrize ein
Loch ausgestanzt wird, wird eine Verteileröffnung 21a gebildet. Grate 27 und 29,
die beim Ausstanzen der Öffnung gebildet
werden, sind ebenfalls in 6(b) gezeigt.
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Bei
diesem Beispiel fällt
die Zirkulation der Gase und des erzeugten Wassers leichter, da
an der Stufe 26, die die Öffnung 21a mit dem
Gasströmungskanal 14 verbindet,
eine Verjüngung
vorgesehen ist, um die Kantenseite der Öffnung 21a abzusenken.
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Da
die geformte Separatorplatte in diesem Beispiel in dem Teil, wo
die Verteileröffnung 21a mit Hilfe
einer Matrize durch Ausstanzen ausgebildet werden soll, die Nuten 25 enthält, lassen
sich bessere Bearbeitungseigenschaften als bei dem Vergleichsbeispiel
erreichen.
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Beispiel 2
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7 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht entlang einer der Linie II-II von 1 entsprechenden
Linie, die Herstellungsschritte einer Separatorplatte dieses Beispiels
angibt. 7(a) zeigt die Separatorplatte
nach dem Formen und 7(b) die Separatorplatte
nach dem Ausstanzen einer Verteileröffnung.
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Die
Separatorplatte dieses Beispiels wird derart durch Pressformen hergestellt,
dass sie, wie in 7(a) gezeigt ist,
konkave Teile 40 und 42 enthält, die etwas größer als
eine Verteileröffnung
auf den beiden jeweiligen Seiten eines Teils ist, wo die Verteileröffnung ausgebildet
werden soll, wobei dann wie in 7(b) gezeigt
ist, mit Hilfe einer Matrize ein Loch ausgestanzt wird, um eine
Verteileröffnung 41a zu bilden.
Da an der Seitenwand jedes konkaven Teils 40 und 42 eine
Verjüngung
vorgesehen ist, um die Öffnungsseiten
der Öffnung 41a jeweils
breiter zu machen, sind auf beiden Seiten der Separatorplatte auf
den Rändern
der Öffnung 41a jeweils
mit den Verjüngungen
versehene Stufen 46 und 48 ausgebildet. Grate 47 und 49,
die sich beim Ausstanzen der Öffnung 41a gebildet
haben, sind ebenfalls in 8(b) gezeigt.
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8 zeigt
eine ausgedehnte Schnittansicht entlang einer der Linie II-II von 1 entsprechenden
Linie, die Herstellungsschritte der Separatorplatte gemäß einem
weiteren Beispiel angibt. 8(a) zeigt
die Separatorplatte nach dem Formen und 8(b) die
Separatorplatte nach dem Ausstanzen der Verteileröffnung.
In dem in 8 gezeigten Beispiel wird eine
Pressformung durchgeführt,
um den konkaven Teil 40 zu bilden, der etwas größer als
die Verteileröffnung
auf der einen Seite, nämlich
auf den Kathodenseite, des Teils ist, wo die Verteileröffnung ausgebildet
werden soll, wobei dann mit Hilfe einer Matrize ein Loch ausgestanzt
wird, um die Verteileröffnung 41a zu
bilden.
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Bei
diesem Beispiel ist die mit der Verjüngung versehene Stufe 46 tiefer
als der Gasströmungskanal 40.
Dadurch kann verglichen mit dem Vergleichsbeispiel der Einfluss
der ausgebildeten Grate 47 auf den Gasströmungskanal 14 verringert werden.
Darüber
hinaus sorgen die auf den Stufen 46 und 48 vorgesehenen
Verjüngungen
dafür,
dass sich der Formkörper
besser von der Form lösen
lässt.
Des Weiteren erleichtert die Tatsache, dass die Dicke des Teils,
wo die Verteileröffnung
gebildet wird, dünner gestaltet
ist, den Ausstanzvorgang.
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In
den obigen Beispielen wurde zwar eine einlassseitige Oxidationsmittelgasverteileröffnung beschrieben,
doch können
diese Beispiele auch bei einer auslassseitigen Oxidationsmittelgasverteileröffnung Anwendung
finden.
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Darüber hinaus
kann der gleiche Aufbau wie bei der oben beschriebenen Oxidationsmittelgasverteileröffnung auch
bei einer Brennstoffgasverteileröffnung
hinsichtlich des Teils, der mit dem auf der Anodenseite der Separatorplatte
ausgebildeten Brennstoffgasströmungskanal
in Verbindung steht, oder bei der Kühlwasserverteileröffnung in
dem Teil, der mit dem Kühlwasserströmungskanal
in Verbindung steht, Anwendung finden.
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Beispiel 3
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In
diesem Beispiel wird ein Verteiler eines Brennstoffzellenstapels
beschrieben, der durch Aufeinanderstapeln von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs)
und Separatorplatten gebildet wurde, welche die zuvor beschriebenen
Verteileröffnungen
enthalten.
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Es
wird hier ein Beispiel beschrieben, das eine einzelne Separatorplatte
verwendet, die hergestellt wurde, indem die Separatorplatte 10 wie
in 1 gezeigt auf einer Seite von ihr mit einem Oxidationsmittelgasströmungskanal
und auf ihrer Rückseite
mit einem Brennstoffgasströmungskanal
versehen wurde und die daher sowohl als kathodenseitige Separatorplatte
wie auch als anodenseitige Separatorplatte dient.
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9 zeigt
eine Vorderansicht der Anodenseite der Separatorplatte 10.
Die Separatorplatte 10 enthält auf der Anodenseite einen
Brennstoffgasströmungskanal 4,
um die Verteileröffnung 12a mit
der Verteileröffnung 12b zu
verbinden. Die Bezugszahl 5 zeigt Rippen, die den Strömungskanal 4 unterteilen. Auf
dem Rand der Öffnung
jeder Verteileröffnung 12a und 12b ist
eine Stufe 6 vorgesehen.
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10 zeigt
als Schnittansicht einen Teil eines Brennstoffzellenstapels entlang
der Linie XII-XII von 1, der gebildet wurde, indem
die Separatorplatten 10 abwechselnd mit MEAs aufeinandergestapelt
wurden. Die Bezugszahl 1 steht für eine MEA, die eine Polymerelektrolytmembran,
eine die Polymerelektrolytmembran von beiden Seiten umgegebene Anode
und Kathode und Dichtungen umfasst, die auf beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran auf
dem jeweiligen Rand der Anode und der Kathode aufliegen. Im Brennstoffzellenstapel
wird von den Verteileröffnungen 11a in
den Separatorplatten 10 und den Verteileröffnungen
in den MEAs ein Oxidationsmittelgasverteiler gebildet. Des Weiteren
hat die Verteileröffnung 11a Teile
größeren Durchmessers und
Teile kleineren Durchmessers, da sie auf der Kathodenseite und der
Anodenseite jeweils die Stufen 16 und 8 enthält. Daher
wird der Verteiler, durch den das Oxidationsmittelgas, wie durch
den Pfeil A1 angegeben ist, geradlinig hindurchströmt, durch
die Teile kleinen Durchmessers D1 und die Teile großen Durchmessers
D2 gebildet. Der Pfeil A2 zeigt, wie das Oxidationsmittelgas von
der durch den Pfeil A1 angegebenen Strömung abzweigt und in den Gasströmungskanal 14 in
jeder Zelle strömt,
während
der Pfeil A3 die Strömung
eines Abgases angibt, das ein Produkt der Kathode und überschüssiges Gas
beinhaltet.
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Bei
der herkömmlichen
Brennstoffzelle ist der Verteiler, durch den das durch den Pfeil
A1 angegebene Oxidationsmittelgas strömt, durch Verteileröffnungen
mit gleichmäßigen Durchmessern
gebildet worden.
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Es
gibt zwei Arten an Strömungen
des Oxidationsmittelgases, das vom Einlass des Brennstoffzellenstapels
in den Verteiler strömt.
Die eine ist die durch den Pfeil A1 angegebene gerade Strömung und
die andere die zu dem Pfeil A1 vertikale Strömung, die in die in den Separatorplatten 10 vorgesehenen
Gasströmungskanäle 14 abzweigt.
Wenn das Gas mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit
durch den Verteiler strömt,
wird jeder MEA eine gleichmäßige Menge
Gas zugeführt.
In der Praxis nimmt die Gasmenge jedoch, während das Gas entlang des Verteilers strömt, um die
in jeden Gasströmungskanal 14 einströmende Gasmenge
ab, was die Gasströmungsgeschwindigkeit
zunehmend senkt. Wenn die Verteileröffnungen vergleichbare gleichmäßige Durchmesser
haben, wie es bei dem herkömmlichen Verteiler
der Fall gewesen ist, führt
das dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit
an der Reaktionsgaseinlassseite schneller und an der Reaktionsgasauslassseite
langsamer ist. Solche Änderungen
der Strömungsgeschwindigkeit
führen
zu Schwankungen der Menge des Oxidationsmittelgases, das in den
Gasströmungskanal 14 in
jeder Zelle einströmt.
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Werden
dagegen wie in 10 innerhalb des Verteilers
Teile großen
Durchmessers D2 und Teile kleinen Durchmessers D1 vorgesehen, führt dies
zu einer deutlichen Absenkung der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsmittelgases
an jedem Teil großen
Durchmessers, wodurch die Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit an den
mehreren, innerhalb des Verteilers vorhandenen Teilen großen Durchmessers
begrenzt wird. Indem an jedem Teil großen Durchmessers 12 zur
Verbindung mit dem Gasströmungskanal 14 eine Öffnung vorgesehen
wird, kann die Schwankung der in den Gasströmungskanal 14 einströmenden Gasmenge
verringert werden. Es ist daher möglich, für einen stabil arbeitenden
Brennstoffzellenstapel zu sorgen. Wie oben beschrieben wurde, kann
die Druckverlustverteilung des Reaktionsgases, das innerhalb des
Verteilers in der Umgebung der mehreren Gasströmungskanäle strömt, verringert werden, indem
die Differenz der gleichwertigen Durchmesser zwischen dem Teil großen Durchmessers
D2 und dem Teil kleinen Durchmessers D1 in einem solchen Umfang
angepasst wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Reaktionsgases an den Teilen großen Durchmessers D2 in der
Praxis gesenkt wird.
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Es
werden nun spezielle Beispiele der Erfindung beschrieben.
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Beispiel 3.1
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Zunächst wird
ein Fertigungsverfahren für eine
Elektrode mit einer Katalysatorschicht beschrieben. Ein Acetylenrußpulver
ließ man
25 Gew.-% Platinteilchen tragen, die eine mittlere Teilchengröße von etwa
30 Å hatten,
damit sich ein Katalysator einer Elektrode ergab. Das sich ergebene
Katalysatorpulver wurde in Isopropanol dispergiert, das dann mit
einer Ethylalkoholdispersion aus einem Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäurepulver
gemischt wurde, damit sich eine Katalysatorpaste ergab.
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Andererseits
wurde ein Kohlenstoffvlies mit Außenabmessungen von 16 cm × 20 cm
und einer Dicke von 360 μm
(TGP-H-120, hergestellt von Toray Industries, Inc.) mit einer wässrigen
Dispersion eines Fluorkohlenstoffharzes (NEOFLON ND1, hergestellt von
DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) getränkt
und dann 30 Minuten lang bei 400°C
getrocknet und erhitzt, um es wasserabstoßend zu machen. Die oben angesprochene
Katalysatorpaste wurde durch Siebdruck auf eine Seite des erzielten
Kohlenstoffvlieses aufgebracht, um eine Katalysatorschicht zu bilden.
Dabei wurde ein Teil der Katalysatorschicht im Kohlenstoffvlies
eingebettet. Das auf diese Weise hergestellte Kohlenstoffvlies mit
der darauf ausgebildeten Katalysatorschicht wurde als Elektrode
verwendet. Die Elektrode enthielt eine Menge von 0,5 mg/cm2 Platin und eine Menge von 1,2 mg/cm2 Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure.
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Anschließend wurden
durch Heißpressen mit
der Vorder- und Rückseite
einer Protonen leitenden Polymerelektrolytmembran, die Außenabmessungen
von 20 cm × 32
cm hatte, zwei Elektroden jeweils auf eine solche Weise verbunden,
dass sich die Katalysatorschichten jeweils mit der Elektrolytmembran
in Kontakt befanden, damit sich eine Elektrolytmembran-Elektroden-Einheit
(MEA) ergab. Die dabei verwendete Protonen leitende Polymerelektrolytmembran
war ein 50 μm
dicker Dünnfilm
aus Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure.
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Als
nächstes
wird eine leitende Separatorplatte beschrieben.
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Als
nächstes
wurde ein Gemisch aus 50 Gewichtsteilen eines künstlichen Graphitpulvers (hochreiner
Graphit ACB, hergestellt von Nippon Graphite Industries, Ltd.),
das eine mittlere Teilchengröße von etwa
10 μm hatte,
30 Gewichtsteilen faserförmigen Graphits
(Ketjen Black EC600JD, hergestellt von LION CORPORATION), das einen
mittleren Durchmesser von 50 μm
und eine mittlere Länge
von 0,5 mm hatte, und 20 Gewichtsteilen eines wärmeaushärtenden Phenolharzes (Sumilite
Resin PR-51107, hergestellt von Sumitomo Bekelite Company, Ltd.) unter
Verwendung einer Extrusionsknetmaschine geknetet, und wurde das
sich ergebende geknetete Pulver in eine Form gegeben, um Nuten für Gasströmungskanäle, Nuten
für einen
Kühlwasserströmungskanal
und beabsichtigte Verteileröffnungen
zu bilden, gefolgt von Heißpressen.
Die Bedingungen für
das Heißpressen
entsprachen einer Formtemperatur von 50°C, einem Druck von 100 kg/cm2 und einer Dauer von 10 Minuten. Die erzielte
leitende Separatorplatte hatte Außenabmessungen von 20 cm × 32 cm
und eine Dicke von 1,3 mm, wobei die Gasströmungskanäle und die Kühlwasserströmungskanäle darin
jeweils eine Tiefe von 0,5 mm hatten. Die dabei verwendete Form
bestand aus einem Legierungswerkzeug für eine beheizte Form (SKD8)
und war so bearbeitet, dass die Strömungskanäle eine Nutbreite von 1,5 mm ± 5 μm, eine Nuttiefe
von 0,5 mm ± 5 μm und einen
Abstand von 3 mm ± 5 μm hatten
und die Separatorplatte eine Dicke von 1,3 mm, eine Flachheit von
10 μm und
einen Oberflächenpoliergrad
von 0,8 S (maximale Oberflächenrauheit) hatte.
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Auf
diese Weise wurde eine Separatorplatte mit einem wie in 1 gezeigten
Aufbau hergestellt. Wie in 6(b) gezeigt
ist, haben sich nach dem Pressformen durch Ausstanzen mit Hilfe
einer Matrize auf dem kathodenseitigen Rand der Verteileröffnung 21a Grate 27 gebildet.
Die Höhe
der Grate betrug 0,01 bis 0,20 mm. Diese Separatorplatte wird als Separatorplatte 2A bezeichnet.
Des Weiteren wurden die Grate auf dem Rand der Verteileröffnung in der
auf die oben angesprochene Weise ausgebildeten Separatorplatte unter
Verwendung einer Schleifmaschine entfernt. Die Höhe der Grate wurde dabei auf
0,01 mm oder weniger eingestellt. Diese Separatorplatte wird als
Separatorplatte 2B bezeichnet.
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Als
Vergleichsbeispiel wurde unter Verwendung des gleichen Materials
und unter gleichen Pressbedingungen eine Separatorplatte mit Hilfe
einer Form hergestellt, die der erzielten Separatorplatte einen
Gasströmungskanal
mit der gleichen Form wie oben und eine Verteileröffnung verlieh,
deren Querschnitt wie in 11 geformt
war. Wie durch die Bezugszahl 56 in 12 angegeben
ist, waren die Grate, die sich auf dem Rand der Verteileröffnung 51 bildeten,
0,01 bis 0,10 mm hoch. Dies wird als Vergleichsbeispiel A bezeichnet.
Des Weiteren wurden die Grate auf dem Rand der Verteileröffnung in
der auf die oben angesprochene Weise hergestellten Separatorplatte
abgeschliffen. Da die Grate aufgrund der komplexen Form des Teils,
wo die Grate gebildet waren, nicht mit einer automatischen Maschine
geschliffen werden konnten, erfolgte das Schleifen manuell mit einer
Feile. Durch diesen Vorgang wurden die Höhen der Grate auf 0,01 mm oder
weniger eingestellt. Dies wird als Vergleichsbeispiel B bezeichnet.
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Als
nächstes
wurden in der Wasserstoffionen leitenden Polymerelektrolytmembran
der wie oben ausgebildeten MEA Kühlwasserverteileröffnungen, Brennstoffgasverteileröffnungen
und Oxidationsmittelgasverteileröffnungen
ausgebildet. Diese Öffnungen
hatten die gleiche Größe und befanden
sich an den gleichen Stellen wie bei der in 1 gezeigten Separatorplatte.
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Die
MEA-Lage wurde zwischen zwei der fertiggestellten Separatorplatten
der gleichen Art gesetzt, damit sich eine Einheitszelle ergab. Hundert solcher
Einheitszellen wurden aufeinander gestapelt, wobei alle zwei Zellen
für einen
Kühlabschnitt
gesorgt wurde, um einen Zellenstapel herzustellen. Der Kühlabschnitt
wurde gebildet, indem keine einzelne Separatorplatte, die auf ihrer
einen Seite einen Oxidationsmittelgasströmungskanal und auf ihrer anderen
Seite einen Brennstoffgasströmungskanal
hatte, sondern eine Verbundseparatorplatte eingefügt wurde,
die sich aus einer kathodenseitigen Separatorplatte, die auf ihrer
einen Seite einen Oxidationsmittelgasströmungskanal und auf ihrer anderen
Seite einen Kühlwasserströmungskanal
hatte, und einer anodenseitigen Separatorplatte, die auf ihrer einen
Seite einen Brennstoffgasströmungskanal
auf ihrer anderen Seite einen Kühlwasserströmungskanal
hatte, zusammensetzte. Diese Verbundseparatorplatte wurde gebildet,
indem die kathodenseitige Separatorplatte auf eine solche Weise
mit der anodenseitigen Separatorplatte verbunden wurde, dass sich
die Seiten der beiden Separatorplatten mit dem Kühlwasserströmungskanal darauf jeweils gegenüber lagen.
Auf jedem Ende dieses Zellen stapels wurden eine Stromsammelplatte
aus rostfreiem Stahl, eine Isolierplatte aus einem elektrisch isolierenden
Material und eine Endplatte aufgestapelt, wobei beide Endplatten
dann mit Klemmstäben
verklemmt wurden. Der Klemmdruck betrug dabei auf die Fläche der Separatorplatte
bezogen 15 kgf/cm2 (14,7 × 105 Pa).
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Die
Polymerelektrolytbrennstoffzellen der auf diese Weise angefertigten
Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden bei 80°C gehalten, wobei der Anodenseite
und der Kathodenseite ein Wasserstoffgas, das so befeuchtet und
erhitzt worden war, dass es einen Taupunkt von 75°C hatte,
beziehungsweise Luft, die so befeuchtet und erhitzt worden war, dass
sie einen Taupunkt von 65°C
hatte, zugeführt wurden.
Dies führte
ohne Last, als kein Strom zur Außenseite abgegeben wurde, zu
einer Zellenleerlaufspannung von 96 V. Nach einem Versuchslauf unter kontinuierlicher
Stromerzeugung bestätigte
sich außerdem,
dass die Ausgangsleistung der Zellen, die die Separatoren 2A und 2B verwendeten,
nach 8000 Stunden oder mehr jeweils bei etwa 14 kW (62 V–224 A)
lag. Außerdem
bestätigte
sich, dass ähnliche
Zelleneigenschaften auch dann erzielt werden konnten, wenn der Querschnitt
des Rands der Verteileröffnung durch
das Abschleifen der Grate abgerundet wurde.
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Beispiel 3.2
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Bei
diesem Beispiel wurde mit Ausnahme der Verteileröffnung auf die gleiche Weise
wie in Beispiel 3.1 eine Separatorplatte hergestellt. Wie in 7(b) gezeigt ist, haben sich nach dem
Pressformen auf dem kathodenseitigen Rand der Verteileröffnung 41a durch
das Ausstanzen mit Hilfe einer Matrize Grate 47 gebildet.
Die Höhe
der Grate betrug 0,01 bis 0,20 mm. Diese Separator platte wird als
Separatorplatte 4A bezeichnet. Des Weiteren wurden die Grate
auf dem Rand der Verteileröffnung
in der auf die oben angesprochene Weise ausgebildeten Separatorplatte
mit einer Schleifmaschine entfernt. Die Höhe der Grate wurde dabei auf
0,01 mm oder weniger eingestellt. Dieser Separator wird als Separatorplatte 4B bezeichnet.
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Unter
Verwendung dieser Separatorplatten wurden auf die gleiche Weise
wie in Beispiel 3.1 Polymerelektrolytbrennstoffzellen angefertigt,
die unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 3.1 betrieben
wurden. Dies führte
ohne Last, als kein Strom zur Außenseite abgegeben wurde, zu
einer Zellenleerlaufspannung von 96 V. Des Weiteren bestätigte sich nach
dem Versuchslauf unter kontinuierlicher Stromerzeugung, dass die
Ausgangsleistung der Zellen, die die Separatoren 4A und 4B verwendeten,
nach 8000 Stunden oder mehr jeweils bei 14 kW (62 V–224 A)
gehalten wurde.
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Wie
oben genauer beschrieben wurde, ist bei der erfindungsgemäßen Herstellung
eines Separators unter Verwendung eines Verbundmaterials aus Blähgraphit
oder Graphit und einem Harz, das durch Formung zu geringeren Kosten
als durch Schneiden oder Schleifen verarbeitet werden kann, ein
Entfernungsschritt für
beim Formen gebildete Grate unnötig
oder können
die Grate mit einer automatischen Maschine entfernt werden, so dass
bei der Massenfertigung eine deutliche Kostenreduktion erwartet werden
kann.
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Die
Erfindung wurde zwar im Hinblick auf die derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben, doch versteht sich, dass diese Offenbarung nicht als
Einschränkung
verstanden werden sollte. Dem Fachmann, dem diese Erfindung gilt,
werden nach dem Lesen der obigen Offenbarung ohne Zweifel weitere Änderungen
und Abwandlungen einfallen. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche so verstanden
werden, dass sie sämtliche Änderungen
und Abwandlungen abdecken, die unter den Grundgedanken und Schutzumfang
der Erfindung fallen.