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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, die mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzelle, welche mindestens eine Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H2O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
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Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch verbunden werden.
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Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode sind Bipolarplatten vorgesehen. Die Bipolarplatten weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen ferner zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Gemäß dem Stand der Technik ist die Verteilstruktur üblicherweise als Kanal oder als elektronisch leitfähige poröse Schicht, beispielsweise als Schaum realisiert. Eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik umfasst beispielsweise eine Verteilplatte, einen Schaum und einen Schaum mit Dichtung.
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Bipolarplatten dienen sowohl dazu, eine optimale Gasverteilung zu gewährleisten, als auch durch eine elektrische Leitfähigkeit bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle entstehenden Strom optimal abzuführen. Darüber hinaus müssen Bipolarplatten in Brennstoffzellen korrosionsbeständig sein, da das in Brennstoffzellen entstehende Wasser korrosive Eigenschaft aufweist und insbesondere in der Nähe von gegebenenfalls eingesetzten Nafionmembranen ein saures, korrosives Milieu entsteht.
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Aus der
WO 2006/125775 A1 sind Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks bekannt, die eine elektrisch nicht leitfähige Substratplatte mit gegenüberliegenden Oberflächen, die jeweils eine Teilfläche enthalten, und mindestens eine elektrisch leitfähige Folie umfassen. Die Teilflächen weisen Kanäle zum Gastransport auf.
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Die
WO 1016/070862 A1 beschreibt eine metallische Bipolarplatte für den Einsatz in einer elektrochemischen Zelle, wobei die Bipolarplatte eine elektrisch leitfähige graphen-ähnliche Beschichtung aufweist.
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Nachteilig an Bipolarplatten gemäß dem Stand der Technik ist unter anderem, dass diese eine recht hohe Dicke besitzen und somit eine räumliche Limitierung für eine bauliche Verkleinerung von elektrochemischen Zellen darstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, welche mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst, wobei die mindestens eine Verteilstruktur ein Trägermaterial, das auch als Substrat bezeichnet werden kann, und eine Beschichtung umfasst und die Beschichtung elektrisch leitfähig und porös ist.
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Die Bipolarplatte kann auch in anderen elektrochemischen Energiewandlern, beispielsweise in einem Elektrolyseur eingesetzt werden.
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Bevorzugt wird die Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle, insbesondere bevorzugt in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM) eingesetzt.
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Die Bipolarplatte kann ein oder zwei oder mehr Verteilstrukturen, bevorzugt eine Verteilstruktur oder zwei Verteilstrukturen aufweisen. Für den Fall, dass zwei Verteilbereiche vorliegen, können beide Verteilbereiche jeweils von einer separaten Trennplatte oder auch von einer gemeinsamen Trennplatte begrenzt sein.
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Erfindungsgemäß ist das Trägermaterial als Folie ausgeführt und weist eine erste Dicke von nicht mehr als 2000 µm, bevorzugt nicht mehr als 1500 µm, mehr bevorzugt nicht mehr als 1000 µm und besonders bevorzugt nicht mehr als 800 µm auf. Die erste Dicke beträgt bevorzugt von 300 µm bis 2000 µm, mehr bevorzugt von 500 µm bis 2000 µm. Unter dem Begriff Folie wird ein sehr dünnes, flächiges Material, insbesondere ein Werkstoffblatt, bevorzugt ein Metallblatt oder ein Kunststoffblatt, verstanden. Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff Dicke jeweils die mittlere Schichtdicke.
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Über die Verteilstruktur werden bevorzugt Reaktionsgase wie Wasserstoff (H2) und Sauerstoff O2, sowie Kühlflüssigkeiten in die Zelle geleitet. Der Sauerstoff O2 liegt bevorzugt in Luft vor.
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Es wird auch eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Elektrodeneinheit mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander durch eine Membran getrennt sind, und mindestens eine erfindungsgemäße Bipolarplatte umfasst. Insbesondere ist die Brennstoffzelle derart aufgebaut, dass sich beidseitig einer Elektrodeneinheit jeweils eine Bipolarplatte anschließt. Die Membran ist bevorzugt eine Nafionmembran, die sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) enthält.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, wobei die Bipolarplatte mindestens eine Verteilstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs oder eines Oxidationsmittels an eine Elektrode umfasst, die mindestens eine Verteilstruktur ein Trägermaterial und eine Beschichtung umfasst, die Beschichtung elektrisch leitfähig und porös ist und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen des Trägermaterials, wobei das Trägermaterial als Folie ausgeführt ist und eine erste Dicke von nicht mehr als 2000 µm aufweist,
- b) Herstellen einer Slurry enthaltend Graphit und ein Lösungsmittel,
- c) Auftragen der Slurry auf das Trägermaterial und
- d) Trocknen der Beschichtung auf dem Trägermaterial, so dass die Beschichtung ausgebildet wird.
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Bevorzugt bilden das Trägermaterial und die Beschichtung einen Schichtaufbau. Vorteilhaft ist die Beschichtung direkt auf dem Trägermaterial angeordnet. Mehr bevorzugt besteht der Schichtaufbau aus dem Trägermaterial und der Beschichtung. Bevorzugt bildet der Schichtaufbau die Verteilstruktur der Bipolarplatte. Bevorzugt erfolgt die Verteilung des Gases durch die Porosität des Schichtaufbaus.
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Bevorzugt enthält die Beschichtung Graphit, insbesondere bevorzugt besteht die Beschichtung zu mehr als 70 Gew.-%, insbesondere bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-% aus Graphit.
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Weiter bevorzugt enthält die Beschichtung einen Binder und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv. Bevorzugte Binder sind Cellulose und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk. Ein bevorzugtes Leitfähigkeitsadditiv ist Leitruß.
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Vorteilhaft weist die Beschichtung eine Porosität von 50 % bis 95 % auf, bevorzugt 70% bis 90 % und insbesondere bevorzugt 80 % bis 85 %.
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Das Trägermaterial besteht bevorzugt zu nicht weniger als 90 Gew.-% aus Edelstahl, mehr bevorzugt zu nicht weniger als 95 Gew.-% und insbesondere bevorzugt zu nicht weniger als 99 Gew.-%. Ein bevorzugter Edelstahl ist der Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404 und der Zusammensetzung X2CrNiMo17-12-2.
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Vorzugsweise weist der Schichtaufbau eine Gesamtdicke von nicht mehr als 3000 µm, bevorzugt nicht mehr als 2000 µm und mehr bevorzugt nicht mehr als 1500 µm auf.
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Vorteilhaft wird in Schritt c) die Slurry durch Rakeln aufgetragen. Die Slurry wird bevorzugt mit einer Slurrydicke von weniger als 1100 µm aufgetragen.
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Die Slurry enthält vorzugsweise Graphit, das bevorzugt in Form von Graphitpulver vorliegt. Das Graphitpulver weist bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von 5 µm bis 50 µm, mehr bevorzugt von 10 µm bis 20 µm auf. Die Partikel besitzen bevorzugt eine Form, die von einer Plättchenform abweicht. Mehr bevorzugt besitzen die Partikel eine im Wesentlichen sphärische Form. Größere Partikel führen zu einer erhöhten Porosität der Beschichtung.
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Weiter bevorzugt enthält die Slurry einen Binder, insbesondere Cellulose und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk, und/oder ein Leitfähigkeitsadditiv, insbesondere Leitruß. Die Slurry enthält bevorzugt 20 Gew.-% bis 70 Gew.-%, mehr bevorzugt 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%, zum Beispiel 50 Gew.-% Lösungsmittel. Das Lösungsmittel ist bevorzugt Wasser.
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Beim Trocknen in Schritt d) werden zumindest Teile des Lösungsmittels aus der Slurry entfernt, so dass die Beschichtung als poröser Feststoff auf dem Trägermaterial zurückbleibt. Das Trocknen wird bevorzugt bei einer Trocknungstemperatur von 60°C bis 100°C, mehr bevorzugt von 70°C bis 90°C, zum Beispiel 80°C ausgeführt. Bevorzugt wird das Trocknen für eine Dauer von 20 Minuten bis 80 Minuten, mehr bevorzugt von 30 Minuten bis 60 Minuten durchgeführt.
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Durch das Trocknen nimmt die Slurrydicke bevorzugt um 20% bis 50%, mehr bevorzugt um 35 % bis 35% ab.
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Vorteile der Erfindung
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Das Trägermaterial und die Beschichtung können übliche Kanalstrukturen und/oder Schäume in Bipolarplatten ersetzen. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich durch einen dünnen Aufbau aus, der gleichzeitig die fluiddynamischen Anforderungen in einer Brennstoffzelle, hinsichtlich beispielsweise eines tolerierbaren Druckverlustes, gewährleistet, so dass einzelne Brennstoffzellen und damit auch Brennstoffzellen-Stacks kleiner und kompakter gestaltet werden können.
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Durch den Binder wird eine Stabilität, Duktilität und Biegsamkeit der Beschichtung ermöglicht und die Zugabe von Leitruß erhöht die Leitfähigkeit der Beschichtung. Die Porosität der Beschichtung führt zu einem guten Gasaustausch sowie einem effizienten Gastransport im Brennstoffzellen-Stack.
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Die Materialien Graphit, Wasser, Ruß und Binder sind in großen Mengen kostengünstig verfügbar und stellen keine Gefahrstoffe dar. Folglich wird eine Entsorgung von Brennstoffzellen-Stacks durch diese Stoffe nicht verkompliziert.
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Das Aufbringen der Slurry durch Rakeln ermöglicht eine sehr dünne Ausführung der Beschichtung.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen,
- 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trägermaterials mit erfindungsgemäßer Beschichtung und
- 4 eine schematische Darstellung des Prinzips eines Rakelverfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 weist eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine protonenleitende Membran 18 auf, durch die die Anode 21 und die Kathode 22 voneinander getrennt sind. Weiterhin besitzt die Brennstoffzelle 2 Bipolarplatten 40, durch die Wasserstoff zur Anode 21 und Sauerstoff zur Kathode 22 bzw. Wasser von der Kathode 22 weg transportiert wird und eine in 1 nur schematisch angedeutete Gasdiffusionsanlage 41. Der Brennstoffzelle 2 wird ein Strom entnommen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 2. Jede Brennstoffzelle 2 weist eine Elektrodeneinheit 10 auf, die eine erste Elektrode 19, eine zweite Elektrode 20 und eine Membran 18 umfasst. Die beiden Elektroden 19, 20 sind auf einander gegenüber liegenden Seiten der Membran 18 angeordnet und somit voneinander durch die Membran 18 getrennt. Die erste Elektrode 19 wird im Folgenden auch als Anode 21 bezeichnet und die zweite Elektrode 20 wird im Folgenden auch als Kathode 22 bezeichnet. Die Membran 18 ist als Polymerelektrolytmembran ausgebildet. Die Membran 18 ist für Wasserstoffionen, also H+-Ionen, durchlässig.
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Jede Brennstoffzelle 2 weist ferner zwei Bipolarplatten 40 auf, die sich beidseitig an die Elektrodeneinheit 10 anschließen. Bei der hier gezeigten Anordnung mehrerer Brennstoffzellen 2 in dem Brennstoffzellenstapel 5 kann jede der Bipolarplatten 40 als zu zwei zueinander benachbart angeordneten Brennstoffzellen 2 gehörig betrachtet werden.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils eine erste Verteilstruktur 50 zur Verteilung eines Brennstoffs, die der Anode 21 zugewandt ist. Die Bipolarplatten 40 umfassen jeweils auch eine zweite Verteilstruktur 60 zur Verteilung des Oxidationsmittels, die der Kathode 22 zugewandt ist. Die zweite Verteilstruktur 60 dient gleichzeitig zur Ableitung von bei einer Reaktion in der Brennstoffzelle 2 entstandenem Wasser.
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Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner eine dritte Verteilstruktur 70, welche zwischen der ersten Verteilstruktur 50 und der zweiten Verteilstruktur 60 angeordnet ist. Die dritte Verteilstruktur 70 dient zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Bipolarplatte 40 zur Kühlung der Brennstoffzelle 2.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird Brennstoff über die erste Verteilstruktur 50 zu der Anode 21 geleitet. Ebenso wird Oxidationsmittel über die zweite Verteilstruktur 60 zu der Kathode 22 geleitet. Der Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, wird an der Anode 21 katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran 18 zu der Kathode 22. Die abgegebenen Elektronen fließen durch die Verteilstrukturen 50, 60, 70 zu der Kathode 22 der benachbarten Brennstoffzelle 2, beziehungsweise aus der Anode 21 der an einem Rand befindlichen Brennstoffzelle 2 über einen externen Stromkreis zu der Kathode 22 der an dem anderen Rand befindlichen Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsmittel, vorliegend Luftsauerstoff, reagiert durch Aufnahme der so geleiteten Elektronen und der Protonen, die durch die Membran 18 zu der Kathode 22 gelangt sind, zu Wasser.
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3 zeigt einen Schichtaufbau 30, der ein Trägermaterial 31, das auch als Substrat bezeichnet werden kann, und eine Beschichtung 32 umfasst. Die Beschichtung 32 enthält Graphit 33 in Partikelform sowie einen Binder 35 und Leitruß 36. Die Beschichtung 32 weist Hohlräume 34 auf, die weder vom Graphit 33 noch vom Binder 35 oder dem Leitruß 36 eingenommen sind und die die Porosität der Beschichtung 32 ausmachen.
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Das Trägermaterial 31 ist als Folie ausgeführt und weist eine erste Dicke 37 auf. Die Beschichtung 32 besitzt eine zweite Dicke 38.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips eines Rakelverfahrens. Das Trägermaterial 31 ist als Folie ausgeführt und wird als Bahn bereitgestellt. Eine Slurry 82, die Graphit 33 enthält, liegt in einem Rakeltrog 81 vor. Die Bahn des Trägermaterials 31 wird relativ zum Rakeltrog 81, der benachbart zu einem Rakel 80 angeordnet ist, bewegt, wobei die Slurry 82 durch den Rakel 80 dünn auf das Trägermaterial 31 aufgetragen wird und die Beschichtung 32 bildet.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/125775 A1 [0011]
- WO 1016/070862 A1 [0012]
