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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator und die Verwendung des Separators in einer Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbesserung der Struktur eines Separators, in dem die Formen von Fluidleitungen bildenden Vorsprüngen und Ausnehmungen ausgebildet sind.
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Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
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Im Allgemeinen wird eine Brennstoffzelle (z. B. eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) gebildet, indem eine Mehrzahl von Zellen aneinandergeschichtet wird, die jeweils einen zwischen Elektrolyten gehaltenen Separator beinhalten. Außerdem ist der Separator mit einem Verteiler zum Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Reaktionspartners (eines Brenngases, eines Oxidationsgases) oder eines Kühlmittels zu oder aus den Zellen versehen.
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Was den Verteiler angeht, der so angeordnet ist, dass Fluide auf diese Weise zu- und abgeführt werden, ist bislang bekannt gewesen, dass Rippen (die in der vorliegenden Beschreibung auch als Bereiche mit vorbestimmten Abmessungen bezeichnet werden) als Abstandshalter zwischen benachbarten Separatoren außerhalb eines (auf der äußeren Umfangsseite von einem) Abdichtungselement(s) (einer Dichtung, einem Haftmittel oder dergleichen) um einen jeweiligen Verteiler herum ausgebildet sind (siehe z. B. die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2003-77499 A ).
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Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle mit einem Separator ist zudem aus der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP 2004-047207 A bekannt.
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Kurzfassung der Erfindung
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Ein Separator mit der vorstehenden herkömmlichen Struktur ist jedoch dahingehend unzureichend, dass ein Abdichtungselement in manchen Fällen einem Schwund ausgesetzt ist und sich verformt.
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Separator und eine Verwendung des Separators in einer Brennstoffzelle, die in der Lage ist, den Schwund und die Verformung des Abdichtungselements zu verhindern, zu schaffen.
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Zur Lösung dieses Problems hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung verschiedene Untersuchungen angestellt. In dem Separator sind insbesondere ein Bereich auf der Randseite, der den Verteiler ausbildet, sowie die nähere Umgebung des Bereichs weitgehend der Druckschwankung des Fluids (eines gasförmigen Reaktionspartners oder eines Kühlmittels) ausgesetzt. Das heißt, dass die Druckschwankung des durch den Verteiler zirkulierten Fluids ohne Weiteres direkt auf das um die Randseite herum angeordnete Abdichtungselement einwirkt, und das Abdichtungselement schließlich wie vorstehend beschrieben einem Schwund ausgesetzt ist und sich verformt. Gelegentlich führt dies zu Beeinträchtigungen der ursprünglichen Funktion des Abdichtungselements. Im Hinblick darauf hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung unter Beachtung der Eigenschaften der herkömmlichen Struktur des Separators, insbesondere einer Beziehung zwischen der Struktur und dem durch den Verteiler gelangenden Fluid, eine Technik entdeckt, die das vorstehende Problem lösen kann.
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Die vorliegende Erfindung stützt sich auf eine ebensolche Erkenntnis, und es wird ein Separator gemäß Anspruch 1 geschaffen, in dem die Formen von Vorsprüngen und Ausnehmungen, die zumindest Fluidleitungen ausbilden, auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Separators seitenverkehrt zueinander angeordnet sind, und der mit einem Verteiler versehen ist, um das Fluid zu- und abzuführen, wobei der Separator aufweist: ein Abdichtungselement, das entlang der Randseite des Separators angeordnet ist, die den Umriss des Verteilers ausbildet, und das das Fluid abdichtet; einen ersten vorspringenden Abschnitt, der zwischen dem Abdichtungselement und der Randseite des Separators angeordnet ist, und einen zweiten vorspringenden Abschnitt, der separat vom ersten vorspringenden Abschnitt zwischen dem Abdichtungselement und einer äußeren Umfangsseite des Separators ausgebildet ist. Der erste Separator und der zweite Separator haben eine Funktion eines Abstandhalters zur Ausbildung eines Raumes zur Aufnahme des Abdichtungselements zwischen den Abschnitten. Ein Harzrahmen, der auf der hinteren Oberflächenseite der vorspringenden Abschnitte des Separators angeordnet ist, ist mit weiteren stützenden vorspringenden Abschnitten versehen, die in einen mit Ausnehmungen versehenen Abschnitten gelangen, der auf der hinteren Oberflächenseite der vorspringenden Abschnitte ausgebildet ist, wobei die vorspringenden Abschnitte des Separators durch die weiteren stützenden vorspringenden Abschnitte gesichert werden, so dass die vorspringenden Abschnitte nicht ohne Weiteres verformt werden, selbst wenn ein Druck auf denselben ausgeübt wird
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Der Separator ist mit dem Verteiler versehen, der ein Fluid, wie z. B. ein Brenngas, ein Oxidationsgas oder ein Kühlmittel, einer jeweiligen Brennstoffzelle zuführt oder von dieser abführt. Außerdem ist das Abdichtungselement um diesen Verteiler des Separators herum angeordnet, und so kann ein jeweiliges Fluid nicht aus einer vorbestimmten Leitung auslaufen. In dem Separator gemäß der vorliegenden Erfindung ist der vorspringende Abschnitt zwischen einem ebensolchen Abdichtungselement und der Randseite des Separators angeordnet, die den Verteiler ausbildet. Wenn die Separatoren und so weiter aneinander geschichtet werden, können diese vorspringenden Abschnitte direkt (oder indirekt) aneinander anstoßen, so dass sie als der Abstandshalter dienen. In diesem Fall können diese vorspringenden Abschnitte und ein weiterer vorspringender Abschnitt, der beispielsweise aus einer Rippe (einem Bereich mit vorbestimmten Abmessungen) außerhalb (auf der äußeren Umfangsseite von dem) des Abdichtungselement(s) besteht, einen Raum mit einer vorbestimmten Breite bilden.
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Außerdem ist es zu bevorzugen, dass die vorspringenden Abschnitte auf den Separatoren derart ausgebildet sind, dass, wenn die Separatoren aneinander geschichtet sind, zumindest ein Teil des einen Separators mit zumindest einem Teil des anderen Separators in Kontakt gelangt und dass diese vorspringenden Abschnitte miteinander dann in Kontakt gelangen, wenn die Separatoren aneinander geschichtet werden. Wenn die Separatoren auf diese Weise aneinander geschichtet sind, gelangen die vorspringenden Abschnitte, die auf den Separatoren ausgebildet sind, miteinander in Kontakt, um einen Raum auszubilden.
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Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung des vorstehend diskuriterten Separators in einer Brennstoffzelle vorgeschlagen.
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Der vorspringende Abschnitt, der auf einem Teil des Separators ausgebildet ist, dient als ein Abstandshalter, so dass die vorspringenden Abschnitte dann aneinander anstoßen, wenn die Separatoren aneinander geschichtet sind, und bildet einen Raum, in dem die Verformung des Abdichtungselements verhindert wird. Außerdem wird der vorstehend erwähnte vorspringende Abschnitts von der hinteren Oberflächenseite her durch einen weiteren vorspringenden Abschnitt, der auf einem Element angeordnet ist, das auf der hinteren Oberflächenseite des vorspringenden Abschnitts positioniert ist, gestützt oder sozusagen abgesichert, um die Verformung des vorspringenden Abschnitts zu verhindern.
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In einer solchen Brennstoffzelle besteht der andere vorspringende Abschnitt aus einer Mehrzahl von diskontinuierlich ausgebildeten Vorsprüngen, und zwischen diesen Vorsprüngen sind vorzugsweise Fluidleitungen ausgebildet. In diesem Fall kann der auf dem Separator ausgebildete vorspringende Abschnitt abgesichert werden und verhindert werden, dass er sich verformt, während die Leitungen zum Zuführen und Abführen des Fluids abgesichert werden.
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Ferner kann es sich in einer solchen Brennstoffzelle bei dem auf der hinteren Oberflächenseite des vorspringenden Abschnitts angeordneten Element um einen Harzrahmen handeln.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und eine auseinandergenommene Darstellung von Zellen eines Separators einer Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist;
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2 ist eine Draufsicht auf den Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Diagramm, dass ein strukturelles Beispiel von aneinander geschichteten Zellen in einem Querschnitt, der entlang der Linie III-III von 2 erstellt worden ist;
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4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die ein strukturelles Beispiel einer Anordnung darstellt, in der, wenn ein Harzrahmen mit einem weiteren vorspringenden Abschnitt versehen ist, der andere vorspringende Abschnitt aus einer Mehrzahl von diskontinuierlich ausgebildeten Vorsprüngen gebildet ist; und
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5 ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel für die Struktur der Brennstoffzelle darstellt.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Nachstehend erfolgt eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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1 bis 5 zeigen Ausführungsformen einer Brennstoffzelle und eines Separators für die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ein Separator 20 (1 zeigt zwei Separatoren, die mit den Bezugszeichen 20a, 20b bezeichnet sind) Verteiler 15, 16 und 17 (1 zeigt Verteiler, die mit den Bezugszeichen 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b bezeichnet sind) zum Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Reaktionspartners (z. B. ein Brenngas, ein Oxidationsgas) oder eines Kühlmittels (z. B. Kühlwasser) zu oder von einer Brennstoffzelle, und die Separatoren sind mit einer Membran-Elektrodenanordnung 30 aneinander geschichtet, um die Zelle 2 zu bilden (siehe 1 usw.). Außerdem sind in diesem Separator 20 die Formen von Vorsprüngen und Ausnehmungen, die zumindest Fluidleitungen ausbilden, auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Separators seitenverkehrt zueinander angeordnet.
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Hier sind in der vorliegenden Ausführungsform Abdichtungselemente 13 (die in 1 mit den Bezugszeichen 13a, 13b und 13c bezeichnet sind) zum Abdichten eines Fluids entlang von Randseiten 20e des Separators 20 angeordnet, die die Umrisse der Verteiler 15 bis 17 bilden. Ferner kann ein vorspringender Abschnitt 21, der als ein Abstandshalter zwischen dem Separator 20 und einem weiteren Element neben dem Separator dienen kann, zwischen dem Abdichtungselement 13 und der Randseite 20e angeordnet sein (siehe 3, etc.). Dieser vorspringende Abschnitt 21 kann verhindern, dass das Abdichtungselement 13 einfach schwindet, und kann somit die Verformung des Abdichtungselements aufgrund des Schwunds verhindern.
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In der nachstehend beschriebenen Ausführungsform wird zunächst die schematische Anordnung einer Brennstoffzelle 1 und die schematische Anordnung einer Zelle 2, die die Brennstoffzelle 1 bildet, beschrieben. Danach erfolgt eine Beschreibung der Anordnung des vorstehenden Separators 20.
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Die Brennstoffzelle 1 beinhaltet eine Aneinanderschichtung 3 von Zellen, in der eine Mehrzahl von Zellen 2 aneinander geschichtet ist, und außerhalb der Schichtungsrichtung der Endzellen 2, die an beiden Enden der Aneinanderschichtung 3 von Zellen positioniert sind, sind ferner Anschlussplatten 5, die mit Ausgangsanschlüssen 5a versehen sind, Isolatoren (Isolierplatten) 6 und Endplatten 7 angeordnet (siehe 5). Durch Spannplatten 8, die sich so weit erstrecken, dass sie die Endplatten 7 miteinander verbinden, wird eine vorbestimmte Druckkraft auf die Aneinanderschichtung 3 von Zellen in der Schichtungsrichtung ausgeübt. Ferner sind zwischen der Endplatte 7 und dem Isolator 6 auf einer Endseite der Aneinanderschichtung 3 von Zellen eine Druckplatte 9 und ein Federmechanismus 9a angeordnet, so dass die auf die Zellen 2 einwirkenden Lastschwankungen absorbiert werden.
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Bei der Anschlussplatte 5 handelt es sich um ein Element, das als eine Kollektorplatte dient. Ein Material, wie z. B. Eisen, rostfreier Stahl, Kupfer oder Aluminium, wird beispielsweise zu einer plattenartigen Form ausgebildet. Die Oberfläche der Anschlussplatte 5 auf der Seite der Endzelle wird einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. einer Plattierungsbehandlung, unterzogen, und eine derartige Oberflächenbehandlung stellt einen Übergangswiderstand mit der Endzelle 2 sicher. Beispiele für die Plattierung sind Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Zink und Zinn. Unter Berücksichtigung der Leitfähigkeit, Bearbeitbarkeit und Kosteneffektivität wird die Oberfläche der Anschlussplatte in der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise einer Zinnplattierungsbehandlung unterzogen.
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Bei dem Isolator 6 handelt es sich um ein Element, dessen auszuführende Funktion das elektrische Isolieren der Anschlussplatte 5 und der Endplatte 7 ist. Zur Ausführung einer ebensolchen Funktion wird dieser Isolator 6 aus einem Harzmaterial, wie z. B. Polycarbonat, zu einer plattenartigen Form ausgebildet. Wenn zudem ein technischer Kunststoff mit einer erhöhten Wärmebeständigkeit als das Material für den Isolator 6 verwendet wird, erhält der Isolator dadurch vorteilhafterweise robuste Eigenschaften, und die Brennstoffzelle 1 kann vorzugsweise in einer leichteren Bauweise ausgeführt werden.
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Die Endplatte 7 wird aus einer beliebigen Metallsorte (Eisen, rostfreier Stahl, Kupfer, Aluminium und dergleichen) zu einer plattenartigen Form genauso wie bei der Anschlussplatte 5 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird diese Endplatte 7 unter Verwendung von beispielsweise Kupfer gebildet, doch wird dies lediglich als Beispiel angeführt, und die Endplatte kann auch aus einem anderen Metall gebildet werden.
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Es ist zu beachten, dass diese Brennstoffzelle 1 beispielsweise als ein an einem Auto angebrachtes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzelle-Hybridfahrzeugs (FCHV) verwendet werden kann, doch unterliegt sie dabei keinerlei Einschränkungen, und die Brennstoffzelle kann als ein Leistungserzeugungssystem verwendet werden, das an einer beliebigen Art von mobiler Karosserie (z. B. einem Schiff, Flugzeug und dergleichen) oder an einer Karosserie mit Selbstantrieb, wie z. B. einem Roboter, oder einer stationären Brennstoffzelle angebracht werden kann.
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Als nächstes ist in 1 die schematische Anordnung der Zelle 2 der Brennstoffzelle 1 in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt.
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Die Zelle 2 besteht aus einer (nachstehend als die MEA bezeichneten) Membranelektrodenanordnung 30 als ein spezifisches Beispiel für einen Elektrolyten und einem Paar von Separatoren 20 (die in 1 mit den Bezugszeichen 20a, 20b bezeichnet sind), zwischen denen die MEA 30 gehalten wird (siehe 1). Die MEA und die jeweiligen Separatoren 20a, 20b sind zu einer näherungsweise rechtwinkeligen plattenartigen Form ausgebildet. Ferner ist die MEA 30 so ausgebildet, dass deren äußere Form kleiner ist als die der jeweiligen Separatoren 20a, 20b. Darüber hinaus sind die Bereiche nahe den Umfangsrändern zwischen der MEA 30 und den Separatoren 20a, 20b mit einem ersten Abdichtungselement 13a und einem zweiten Abdichtungselement 13b zusammengeformt.
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Die MEA 30 besteht aus einer (nachstehend einfach als die Elektrolytmembran bezeichneten) Polymer-Elektrolytmembran 31, die aus einer Ionenaustauschmembran aus einem Polymermaterial besteht, und einem Paar von Elektroden (einer Anode und einer Kathode) 32a, 32b, das die Elektrolytmembran 31 von beiden Oberflächen derselben sandwichartig umgibt. Die Elektrolytmembran 31 derselben ist so ausgebildet, dass sie etwas größer ist als die jeweiligen Elektroden 32a, 32b. Die jeweiligen Elektroden 32a, 32b werden beispielsweise durch Heißpressen mit der Elektrolytmembran 31 verbunden, wobei ein Randbereich 33 der Elektrolytmembran zurückbleibt.
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Die die MEA 30 bildenden Elektroden 32a, 32b bestehen beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial (eine Diffusionsschicht), auf der ein Katalysator, wie z. B. feine Platinpartikel, getragen werden. Der einen Elektrode (Anode) 32a wird ein Wasserstoffgas als ein Brenngas (ein gasförmiger Reaktionspartner) zugeführt, und der anderen Elektrode (Kathode) 32b wird ein Oxidationsgas (ein gasförmiger Reaktionspartner), wie z. B. Luft oder ein Oxidationsmittel, zugeführt. Diese beiden Arten von gasförmigen Reaktionspartnern gehen eine elektrochemische Reaktion in der MEA 30 miteinander ein, um die elektromotorische Kraft der Zelle 2 zu erhalten.
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Die Separatoren 20a, 20b sind aus einem gasdurchlässigen leitfähigen Material gefertigt. Beispiele für das leitfähige Material beinhalten einen Kohlenstoff, leitfähige harte Harze und Metalle, wie z. B. Aluminium und rostfreier Stahl. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Separatoren 20a, 20b aus einem Basismaterial eines plattenartigen Metalls gefertigt (Metallseparatoren), und auf den Oberflächen der Elektroden 32a, 32b aus diesem Basismaterial sind Membranen mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit (z. B. aus einer Goldplattierung gefertigte Membranen) ausgebildet.
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Zudem sind auf beiden Oberflächen der Separatoren 20a, 20b Leitungen aus Rillen ausgebildet, die eine Mehrzahl von Ausnehmungen darstellen. Wenn die Separatoren 20a, 20b in der vorliegenden Ausführungsform aus einem Basismaterial aus beispielsweise dem plattenartigen Metall bestehen, können diese Leitungen dann durch Formpressen ausgebildet werden. Die so gebildeten rillenartigen Leitungen bilden Gasleitungen 34 des Oxidationsgases, Gasleitungen 35 eines Wasserstoffgases oder Kühlwasserleitungen 36. Insbesondere ist auf der Innenoberfläche des Separators 20a auf der Seite der Elektrode 32a die Mehrzahl von Wasserstoffgasleitungen 35 ausgebildet, und auf der hinteren Oberfläche (der Außenoberfläche) des Separators ist die Mehrzahl von Kühlwasserleitungen 36 ausgebildet (siehe 1). Desgleichen ist auf der Innenoberfläche des Separators 20b auf der Seite der Elektrode 32b die Mehrzahl von Oxidationsgasleitungen 34 ausgebildet, und auf der hinteren Oberfläche (der Außenoberfläche) des Separators ist die Mehrzahl von Kühlwasserleitungen 36 ausgebildet (siehe 1). Im Fall der vorliegenden Ausführungsform sind die Gasleitungen 34 und die Gasleitungen 35 in der Zelle 2 beispielsweise so ausgebildet, dass sie parallel zueinander verlaufen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kühlwasserleitungen 36 von den beiden Separatoren in den beiden benachbarten Zellen 2, 2 ferner einstückig angeordnet, um Leitungen zu bilden, die einen Querschnitt in beispielsweise einer rechtwinkeliger Form aufweisen, wenn die Außenoberfläche des Separators 20a der einen Zelle 2 mit der Außenoberfläche des Separators 20b der benachbarten anderen Zelle 2 (siehe 1) verbunden iss. Die Bereiche in der Nähe des Umfangsrandes zwischen den Separatoren 20a und 20b der benachbarten Zellen 2, 2 sind mit dem Abdichtungselement 13 zusammengeformt.
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Wie vorstehend beschrieben, sind in den jeweiligen Separatoren 20a, 20b zudem die Formen der Vorsprünge und Ausnehmungen, die zumindest Fluidleitungen bilden, auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche eines jeweiligen Separators seitenverkehrt zueinander angeordnet. Insbesondere weisen in dem Separator 20a die hinteren Oberflächen der Vorsprungsformen (Vorsprungsrippen), die die Gasleitungen 35 des Wasserstoffgases bilden, mit Ausnehmungen versehene Formen (mit Ausnehmungen versehene Rillen) auf, die die Kühlwasserleitungen 36 bilden, und die hinteren Oberflächen der mit Ausnehmungen versehenen Formen (die mit Ausnehmungen versehenen Rillen), die die Gasleitungen 35 bilden, weisen Vorsprungsformen (Vorsprungsrippen) auf, die die Kühlwasserleitungen 36 bilden. Ferner weisen in dem Separator 20b die hinteren Oberflächen der Vorsprungsformen (Vorsprungsrippen), die die Gasleitungen 34 des Oxidationsgases bilden, mit Ausnehmungen versehene Formen (mit Ausnehmungen versehene Rillen) auf, die die Kühlwasserleitungen 36 bilden, und die hinteren Oberflächen der mit Ausnehmungen versehenen Formen (der mit Ausnehmungen versehenen Rillen), die die Gasleitungen 34 bilden, weisen Vorsprungsformen (Vorsprungsrippen) auf, die die Kühlwasserleitungen 36 bilden.
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Außerdem sind um die Enden der Separatoren 20a, 20b herum in einer Längsrichtung (in Bereichen in der Nähe eines Endes, das sich bei Sicht auf 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf der linken Seite befindet) Verteiler 15a auf der Einlassseite des Oxidationsgases, Verteiler 16b auf der Auslassseite des Wasserstoffgases und Verteiler 17b auf der Auslassseite des Kühlwassers ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind diese Verteiler 15a, 16b und 17b beispielsweise aus im Wesentlichen rechtwinkeligen und trapezförmigen Durchgangsöffnungen gebildet, die in den jeweiligen Separatoren 20a, 20 angeordnet sind (siehe 1, 2). Ferner sind die gegenüberliegenden Enden der Separatoren 20a, 20b mit Verteilern 15b auf der Auslassseite des Oxidationsgases, Verteilern 16a auf der Einlassseite des Wasserstoffgases und Verteilern 17a auf der Einlassseite des Kühlwassers versehen. In der vorliegenden Ausführungsform sind diese Verteiler 15b, 16a und 17b zudem aus im Wesentlichen rechtwinkeligen oder trapezförmigen Durchgangsöffnungen gebildet (siehe 1, 2). Es ist zu beachten, dass in 1 das Kühlwasser mit dem Symbol W bezeichnet ist.
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Zwischen den vorstehenden Verteilern stehen der einlassseitige Verteiler 16a und der auslassseitige Verteiler 16b für das Wasserstoffgas im Separator 20a mit den Gasleitungen 35 des Wasserstoffgases über eine einlassseitige Verbindungsleitung 61 und eine auslassseitige Verbindungsleitung 62 als in dem Separator 20a ausgebildete Rillen in Verbindung. Desgleichen stehen der einlassseitige Verteiler 15a und der auslassseitige Verteiler 15b für das Oxidationsgas in dem Separator 20b mit den Gasleitungen 34 des Oxidationsgases über eine einlassseitige Verbindungsleitung 63 und eine auslassseitige Verbindungsleitung 64 als im Separator 20b ausgebildete Rillen in Verbindung (siehe 1). Ferner stehen die einlassseitigen Verteiler 17a und die auslassseitigen Verteiler 17b für das Kühlwasser in den jeweiligen Separatoren 20a, 20b mit den Kühlwasserleitungen 36 über einlassseitige Verbindungsleitungen 65 und auslassseitige Verbindungsleitungen 66 als in den jeweiligen Separatoren 20a, 20b ausgebildete Rillen in Verbindung. Gemäß der vorstehend angeführten Anordnung der jeweiligen Separatoren 20a, 20b werden das Oxidationsgas, das Wasserstoffgas und das Kühlwasser der Zelle 2 zugeführt. Als ein typisches Beispiel gelangt hier z. B. das Wasserstoffgas von dem einlassseitigen Verteiler 16a des Separators 20a durch die Verbindungsleitung 61, um in die Gasleitungen 35 zu strömen, und wird für die Leistungserzeugung der MEA 30 verwendet. Danach gelangt das Gas durch die Verbindungsleitung 62 und wird zum auslassseitigen Verteiler 16b abgeführt.
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Sowohl das erste Abdichtungselement 13a als auch das zweite Abdichtungselement 13b sind aus einer Mehrzahl von Elementen gebildet (z. B. vier kleine rechtwinkelige Rahmenelemente und ein großes Rahmenelement zum Ausbilden der Fluidleitungen) (siehe 1). Das erste Abdichtungselement 13a derselben ist zwischen der MEA 30 und dem Separator 20a angeordnet. Insbesondere ist das erste Abdichtungselement so angeordnet, dass ein Teil des Elements zwischen dem Umfangsbereich 33 der Elektrolytmembran 31 und einem Bereich des Separators 20a um die Gasleitungen 35 herum angeordnet ist. Außerdem ist das zweite Abdichtungselement 13b zwischen der MEA 30 und dem Separator 20b angeordnet. Insbesondere ist das zweite Abdichtungselement so angeordnet, dass ein Teil des Elements zwischen dem Umfangsbereich 33 der Elektrolytmembran 31 und einem Bereich des Separators 20b um die Gasleitungen 34 herum angeordnet ist.
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Ferner ist ein drittes Abdichtungselement 13c, das aus einer Mehrzahl von Elementen (z. B. vier kleinen rechtwinkeligen Rahmenelementen und einem großen Rahmenelement zum Bilden von Fluidleitungen) gebildet ist, zwischen dem Separator 20b und dem Separator 20a der benachbarten Zellen 2, 2 angeordnet ist (siehe 1). Bei diesem dritten Abdichtungselement 13c handelt es sich um ein Element, das zwischen einem Bereich des Separators 20b um die Kühlwasserleitungen 36 und einem Bereich des Separators 20a um die Kühlwasserleitungen 36 angeordnet ist, um zwischen diesen Bereiche eine Abdichtung zu schaffen.
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Anschließend erfolgt eine Beschreibung der Anordnung des Separators 20 (siehe 1 bis 4). Es ist zu beachten, dass in 2 auf die Darstellung der Detailstrukturen der Fluidleitungen (z. B. der Kühlwasserleitungen 36) verzichtet wurde.
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Wie vorstehend beschrieben, ist der Separator 20 mit den Verteilern 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b zum Zu- oder Abführen von Fluiden, wie z. B. dem Brenngas, dem Oxidationsgas und dem Kühlmittel (siehe 2 etc.), zu oder von einer jeweiligen Zelle 2 versehen ist. Außerdem sind die Abdichtungselemente 13 um diese Verteiler 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b des Separators 20 herum so angeordnet, dass die Fluide aus vorbestimmten Leitungen nicht auslaufen können.
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Hier ist der vorspringende Abschnitt 21, der so geformt ist, dass er in einer Zellenschichtungsrichtung hervorragt, zwischen dem Abdichtungselement 13 (13c) und der Randseite 20e der Öffnung angeordnet, die in dem Separator 20 angeordnet ist, um die Verteiler 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b zu bilden (siehe 3 etc.). Außerdem ist an der Außenseite (wobei es sich bei der hierin erwähnten Außenseite um die Außenumfangsseite und genauer gesagt um die Seite gegenüber den Verteilern 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b handelt) ein weiterer vorspringender Abschnitt 22 ausgebildet, der aus einer Vorsprungsrippe besteht (die in der vorliegenden Beschreibung auch als ein Bereich mit vorbestimmten Abmessungen bezeichnet wird) (siehe 3, 4). Es ist zu beachten, dass in 2, die die ebene Struktur des Separators 20 (20b) darstellt, die vorspringenden Abschnitte 21 und ein Bereich, der mit dem vorspringenden Abschnitt 22 versehen ist, durch dicke Linien dargestellt sind (siehe 2), um einen Unterschied zum Abdichtungselement 13 (13c) zu verdeutlichen.
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Wenn die Separatoren 20, die die vorstehende Struktur aufweisen, aneinander geschichtet sind, wie in 3 gezeigt ist, kann der vorspringende Abschnitt 21 des Separators (z. B. 20b) auf der inneren Umfangsseite direkt an den vorspringenden Abschnitt 21 des anderen Separators (z. B. des Separators 20) auf der inneren Umfangsseite anstoßen. Ferner darf der vorspringende Abschnitt 22 des Separators 20b auf der äußeren Umfangsseite direkt an den vorspringenden Abschnitt 22 des anderen Separators 20c auf der äußeren Umfangsseite anstoßen. In diesem Fall können der vorspringende Abschnitt 21 und der vorspringende Abschnitt 22 als ein Abstandhalter dienen, der einen vorbestimmten Raum zwischen den Abschnitten bildet (siehe 3).
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das vorstehende Abdichtungselement 13 (13c) in dem Raum (einem Raum, der beispielsweise im Wesentlichen einen bienenwabenartigen Querschnitt aufweist) aufgenommen, der durch den vorspringenden Abschnitt 21 und den vorspringenden Abschnitt 22 ausgebildet wird. In der Brennstoffzelle 1 der vorliegenden Ausführungsform, in der der vorspringende Abschnitt 21 und der vorspringende Abschnitt 22 als die Abstandshalter dienen, kann die vorbestimmte Breite (vorbestimmte Höhe) des Raums zum Aufnehmen des Abdichtungselements 13 ohne Weiteres beibehalten werden. Somit kann verhindert werden, dass das Abdichtungselement 13 zusammengedrückt wird und einem Schwund ausgesetzt ist, und es kann eine Struktur erhalten werden, in der das Abdichtungselement 13 (13c) nicht ohne Weiteres einem Schwund und einer Verformung ausgesetzt ist.
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Darüber hinaus gelangt der vorspringende Abschnitt 21 des Separators 20 (20b) mit dem vorspringenden Abschnitt 21 des benachbarten Separators 20 (20c) auf der Randseite 20e in Kontakt, wo die Verteiler 15 bis 17 (z. B der Verteiler 16b, durch den ein Wasserstoffgas H2 als ein Fluid FL strömt) ausgebildet sind, so dass ohne Weiteres verhindert werden kann, dass diese Fluide aus den Verteilern 15 bis 17 auslaufen. Folglich kann das Fluidabdichtungsverhalten vorteilhaft weiter verbessert werden.
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Außerdem kann der vorspringende Abschnitt 21 um die Verteiler 15 bis 17 (z. B. 16b) herum ausgebildet sein, doch der vorspringende Abschnitt kann bei Bedarf auch in anderen Bereichen ausgebildet sein als in den Bereichen, die die Fluide den Verteilern 15 bis 17 in der ebenen Richtung des Separators 20 zuführen oder von denselben abführen. In Bezug auf die Verteiler 17a, 17b für das Kühlwasser ist z. B. in der vorliegenden Ausführungsform der vorspringende Abschnitt 21 nicht in einer Leitung, die den Verteiler 17a mit der Kühlwasserleitung 36 verbindet, und einer Leitung, die die Kühlwasserleitung 36 mit dem Verteiler 17b verbindet, angeordnet (siehe 2). Folglich funktioniert der vorspringende Abschnitt 21 als der Abstandshalter in dem anderen Bereich, ohne die Strömung eines jeweiligen Fluids in der ebenen Richtungen des Separators 20 (20b) zu beeinflussen, und der Raum mit der vorbestimmten Breite ist somit abgesichert, um die Verformung des Abdichtungselements 13 zu verhindern.
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Ferner können in den Umrissen der Verteiler 17a, 17b etc. die Bereiche, die das Fluid nicht in der ebenen Richtung des Separators 20 (20b) zuführen oder abführen, als eine Reihe von vorspringenden Abschnitten 21 ausgebildet sein, und die Bereiche, die das Fluid (z. B. das Kühlwasser) zuführen oder abführen, können mit diskontinuierlichen vorspringenden Abschnitten 21' versehen sein. Die diskontinuierlichen vorspringenden Abschnitte 21' können beispielsweise aus einer Mehrzahl von runden Vorsprüngen und dergleichen ausgebildet sein, die in regelmäßigen Abständen (siehe 2) angeordnet sind. Die somit diskontinuierlich ausgebildeten Vorsprünge 21' können vorzugsweise einen Raum zum Verhindern der Verformung (des Schwunds) des Abdichtungselements 13 (13c) absichern, während die Fluide (z. B. das Kühlwasser) zwischen den vorspringenden Abschnitten 21' strömen können
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Zudem ist es in dem vorstehenden Separator 20 (20b) zu bevorzugen, dass ein weiterer vorspringender Bereich ebenfalls außerhalb des Abdichtungselements 13 (13c) ausgebildet ist. Ein Beispiel dazu wird beschrieben. Wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, kann ein vorspringender Abschnitt 23 ausgebildet werden, der so geformt ist, dass er sich entlang dem äußeren Umfangsrand des Separators 20b erstreckt (siehe 2). In diesem Fall können der vorspringende Abschnitt 23, der außerhalb des Abdichtungselements 13 (13c) ausgebildet ist, und der vorspringende Abschnitt 21, der auf der Innenseite des Abdichtungselements 13 (13c) ausgebildet ist (d. h. der vorspringende Abschnitt 21, der entlang dem Umriss des Verteilers 17 oder dergleichen ausgebildet ist) einen Raum bilden, der die Verformung des Abdichtungselements 13 (13c) verhindern kann.
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Wenn ferner ein anderes Element als der Separator 20 auf der hinteren Oberflächenseite des vorspringenden Abschnitts 21 des Separators 20 angeordnet ist, wird vorzugsweise ein weiterer vorspringender Abschnitt zum Abstützen des vorspringenden Abschnitts 21 von der hinteren Oberflächenseite ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist z. B. ein beispielsweise aus einem Harz gefertigter (nachstehend als ein Harzrahmen bezeichneter) Rahmen 40 zwischen dem Separator 20 und dem benachbarten Separator 20 angeordnet, und der Harzrahmen 40 ist ferner mit einem weiteren vorspringenden Abschnitt 41 versehen. Darauf wird in der Beschreibung ausführlicher eingegangen. Die Harzrahmen 40a, 40b, die zwischen den Separatoren 20a und 20b angeordnet sind, und die Harzrahmen 40c, 40d, die zwischen den Separatoren 20c und 20d angeordnet sind, sind mit den vorspringenden Abschnitten 41 zum Abstützen der vorspringenden Abschnitte 21 der Separatoren 20a bis 20d von der hinteren Oberflächenseite versehen (siehe 3). Im Fall der vorliegenden Ausführungsform sind diese vorspringenden Abschnitte 41 beispielsweise so geformt, dass sie in Versenkungen oder Vertiefungen gelangen, die auf der hinteren Oberflächenseite der vorspringenden Abschnitte 21 ausgebildet sind, und die vorspringenden Abschnitte können als Sicherungselemente dienen, so dass diese vorspringenden Abschnitte 21 nicht ohne Weiteres verformt werden, wenn ein Druck auf sie einwirkt.
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Es ist zu beachten, dass hier die anderen vorspringenden Abschnitte 41 zum Sichern der vorspringenden Abschnitte 21 veranschaulicht worden sind. Desgleichen kann jedoch ein anderer vorspringender Abschnitt 42, der den vorspringenden Abschnitt 22 des Separators 20 von der hinteren Oberflächenseite sichert, auf dem Harzrahmen 40 angeordnet sein (siehe 3). Der andere vorspringende Abschnitt 42 kann den vorspringenden Abschnitt 22, der auf dem Separator 20 ausgebildet ist, ebenfalls von der hinteren Oberflächenseite sichern, um die Verformung des vorspringenden Abschnitts genauso wie bei dem vorspringenden Abschnitt 41 zu verhindern.
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Wenn die Harzrahmen 40 außerdem mit den anderen vorspringenden Abschnitten 41, die eine Absicherungsfunktion aufweisen, versehen sind, sind diese anderen vorspringenden Abschnitte 41 vorzugsweise aus einer Mehrzahl von diskontinuierlich ausgebildeten Vorsprüngen gebildet. Wie beispielsweise in 4 gezeigt ist, kann eine Leitung (die einlassseitige Verbindungsleitung 63 oder die auslassseitige Verbindungsleitung 64) zum Zirkulieren des Oxidationsgases zwischen dem Verteiler 15 für das Oxidationsgas und der MEA 30 in dem Harzrahmen ausgebildet sein. Obgleich in diesem Fall die diskontinuierlich ausgebildeten Vorsprünge, Rillen oder dergleichen die Fluidleitungen absichern, können die vorspringenden Bereiche die separaten vorspringenden Bereiche 41, 42 bilden (siehe 4). Obgleich sie die Fluidleitung ausbilden, kann in diesem Fall sogar auch die Sicherungsfunktion realisiert werden.
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Es ist zu beachten, dass es sich bei einem Bereich, der zwischen dem Harzrahmen 40a, 40c und dem Harzrahmen 40b, 40d vorhanden ist und mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet ist, um ein Haftmittel oder eine Haftmittelschicht, die aus diesem Haftmittel gebildet ist, handeln kann (siehe 3). Als ein Beispiel für das Haftmittel kann in diesem Fall, neben einem Haftmittel auf Expoxidbasis, ein Haftmittel auf Silikonbasis oder dergleichen herangezogen werden. Es kann sogar ein Silikon-RTV-Gummi, ein Urethan-RTV-Gummi oder dergleichen als ein elastisches Haftmittel verwendet werden.
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Wie vorstehend beschrieben, sind gemäß dem Separator 20 der Brennstoffzelle 1 der vorliegenden Ausführungsform die vorspringenden Abschnitte 21 sogar um die Verteiler 15 bis 17 herum ausgebildet. Wenn die Separatoren 20 aneinander geschichtet sind, können die vorspringenden Abschnitte 21 der Separatoren aneinander anstoßen, oder der vorspringende Abschnitt kann an dem separaten vorspringenden Abschnitt 22 anstoßen, wodurch er als Abstandshalter dient. Daher besteht dahingehend ein Vorteil, dass der Raum ohne Weiteres zwischen den Abschnitten abgesichert wird. Selbst wenn daher beispielsweise auf das Abdichtungselement 13, das in diesem Raum aufgenommen ist, ein Druck einwirkt, so dass eine Druckkraft ausgeübt wird, kann die Verformung des Abdichtungselements verhindert werden.
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Zusätzlich sind in der vorliegenden Ausführungsform als Elemente (z. B. der Harzrahmen 40), die auf der hinteren Oberflächenseite des Separators 20 angeordnet sind, die vorspringenden Abschnitte 41, 42, die die vorspringenden Abschnitte 21, 22 von der hinteren Oberflächenseite sichern können, wie vorstehend beschrieben ist, separat angeordnet, und somit besteht noch ein weiterer Vorteil, dass die Verformungen dieser vorspringenden Abschnitte 21, 22 verhindert werden können (siehe 3, etc.).
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Es ist zu beachten, dass die vorstehende Ausführungsform ein Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dies jedoch keine Einschränkung darstellt, und die vorliegenden Erfindung auf verschiedene Art und Weise modifiziert und implementiert werden kann, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise hauptsächlich der Fall der benachbarten Separatoren 20b, 20c dargestellt worden, doch stellt dies keine Einschränkung dar, und die Separatoren (z. B. 20a, 20d in 3), die aneinander geschichtet werden können, können selbstverständlich eine ähnliche Struktur aufweisen.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist zudem ein Fall beschrieben worden, in dem die vorspringenden Abschnitte 21 zwischen den Randseiten 20e der Separatoren 20, die die Umrisse der Verteiler 15 bis 17 ausbilden, und den Abdichtungselementen 13 angeordnet sind, doch der hierin erwähnte vorspringende Abschnitt ist von einer Oberfläche her betrachtet ausreichend. Das heißt, dass beispielsweise beim Formpressen, wenn eine Oberfläche mit einem mit Ausnehmungen versehenen Abschnitt (z. B. einer Versenkung) versehen wird, die hintere Oberfläche mit einem Vorsprung versehen wird, der eine dazu seitenverkehrte Form darstellt. Dieser Vorsprung kann daher als der vorspringende Abschnitt 21 dienen, der in der vorliegenden Beschreibung erwähnt wird. Kurzum unterliegt der vorspringende Abschnitt 21 (und auch der vorspringende Abschnitt 22), auf den in der vorliegenden Beschreibung hingewiesen wurde, keiner speziellen Einschränkung, solange der vorspringende Abschnitt auf einer der Oberflächen ausgebildet ist und dann als der Abstandhalter dienen kann, wenn die Zellen aneinander geschichtet werden. Dabei ist es schlichtweg egal, ob ein mit Ausnehmungen versehener Abschnitt auf der hinteren Oberflächenseite ausgebildet ist.
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Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform als ein Beispiel für ein anderes Element, das zum Separator 20 benachbart ist, ein weiterer Separator 20 dargestellt worden, doch wird manchmal ein anderes Element (z. B. ein membranartiges Element oder dergleichen) dazwischen angeordnet. Auch in diesem Fall kann die vorliegende Erfindung angewendet werden.
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Zusätzlich ist in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben worden, dass der vorspringende Abschnitt 21 direkt an dem vorspringenden Abschnitt 21 anstoßen kann, doch kann der vorspringende Abschnitt auch indirekt anstoßen. Wenn z. B. das andere Element zwischen den Separatoren 20 angeordnet wird, wie vorspringend beschrieben wurde, können die vorspringenden Abschnitte 21 (sowie die vorspringenden Abschnitte 22) indirekt über das andere Element aneinander anstoßen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in einer Anordnung, in der ein Abdichtungselement nicht ohne Weiteres schwindet, der Schwund und die Verformung des Abdichtungselements verhindert werden.
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Die vorliegende Erfindung findet daher in einer Brennstoffzelle und einem Separator für die Brennstoffzelle, die solche Anforderungen stellen, vielseitige Verwendung.
