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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen elektrochemische Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13, wie aus der
DE 100 03 528 A1 oder der
US 4,430,390 A bekannt.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Brennstoffzelle wird als saubere, effiziente und umweltfreundliche Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Ein Beispiel für die Brennstoffzelle ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane). Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly), die im Allgemeinen einen dünnen Festpolymermembran-Elektrolyt mit einer Elektrode mit einem Katalysator an beiden Seiten des Membran-Elektrolyten umfasst.
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Die PEM-Brennstoffzelle umfasst im Allgemeinen poröse leitende Materialien, die auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind, die an den Elektrodenschichten der Anode und Kathode anliegen und Brennstoff und Oxidationsmittelgase verteilen. Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, wird an der Anode eingeleitet, wo er elektrochemisch bei Vorhandensein des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zur Kathode durch eine dazwischen angeschlossene elektrische Schaltung geleitet. Gleichzeitig treten die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode, wo ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, elektrochemisch bei Vorhandensein des Elektrolyten und Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als Reaktionsprodukt zu erzeugen.
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Die MEA ist im Allgemeinen zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente oder Bipolarplatten gesetzt, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle zu vervollständigen. Bipolarplatten dienen als Stromkollektoren für die Anode und Kathode und weisen darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen zum Verteilen der gasförmigen Reaktanden (d. h. H2 und O2/Luft) über den Flächen der jeweiligen Elektroden auf.
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In der Praxis werden PEM-Brennstoffzellen aber nicht einzeln betrieben. Vielmehr sind PEM-Brennstoffzellen in Reihe verbunden oder übereinander aufgestapelt, um ein für gewöhnlich als Brennstoffzellenstapel bezeichnetes Gebilde zu bilden. PEM-Brennstoffzellenstapel werden im Allgemeinen kompressionsbelastet, um zwischen den Bipolarplatten, den Gasdiffusionsmedien und der Katalysatorelektrode einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen Flächen zu wahren. Der geringe Kontaktwiderstand zwischen Flächen bei einem PEM-Brennstoffzellenstapel steht direkt mit der Kompressionsbelastung in Verbindung. Typischerweise reichen Kompressionslasten an der Bipolarplatte von etwa 50 bis etwa 400 psi und werden durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem gesteuert. Wichtig ist, dass solche Systeme häufig unter einer noch höheren Baulast eingebaut werden, um Druckverlust auszugleichen, der bei Entfernen der Baulast eintritt.
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Kompressionsbeibehaltungssysteme werden typischerweise so ausgelegt, dass sie zum Ausgleichen der durch Membrananschwellen und Entspannung von Druckspannung erzeugten mechanischen Spannungen dienen. Solche Systeme dienen zum Minimieren übermäßigen Komprimierens und Beschädigung von Gasdiffusionsmedien in dem Brennstoffzellenstapel sowie zum Aufrechthalten der Stapelkompression und des Kontaktdrucks zwischen Bipolarplatten, Gasdiffusionsmedien und Katalysatorschichten. In U.S. Patent
US 5,484,666 A wird offenbart, dass herkömmliche Kompressionssysteme aus Zugstangen bestehen, die sich durch und zwischen Endplattenanordnungen erstrecken und mit Befestigungsmuttern gesichert sind. An den Zugstangen eingesetzte Federn, die zwischen die Befestigungsmuttern und die Endplatten gesetzt sind, werden zum Ausüben einer elastischen Kompressionskraft auf die Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung verwendet.
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Zusätzlich zu Kompressionsbeibehaltungssystemen umfassen herkömmliche PEM-Brennstoffzellenanordnungen Zufuhrsubsysteme und Komponenten für die Verteilung von Wasserstoffbrennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel zu dem Brennstoffzellenstapel. Zum Beispiel sind Vorrichtungen wie Verteiler mit Öffnungen zum Leiten von Gasen und Fluiden ins Innere des Stapels üblich. Subsysteme für das Abführen von Reaktionsprodukten und Kühlmittel sind ebenfalls im Allgemeinen vorhanden. Ferner finden sich in Brennstoffzellensystemen Stromkollektoren, Dichtungen zwischen Zellen, Isolierung, Pumpen, Gebläse, Ventile, Verdichter, zugehörige Installation, elektrische Anschlüsse und Instrumentierung. Solche Subsysteme und Vorrichtungen sind raumfordernd, können eine vermehrte thermische Masse bei Anordnung außerhalb des Stapels darstellen (wobei sie mehr Zeit zum Erwärmen des Stapels auf geeignete Temperaturen erfordern) und können in manchen Fällen eine elektrisch parasitäre Last an dem Brennstoffzellenstapel hervorrufen.
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Periphere Vorbehandlungsvorrichtungen und Komponenten sind ebenfalls für optimalen Betrieb und optimale Leistung eines Brennstoffzellenstapels erforderlich. Solche Systeme können zum Beispiel Reformer zum Extrahieren brauchbaren Wasserstoffbrennstoffs aus wasserstoffhaltigem Rohmaterial umfassen. Zusätzlich sind häufig Befeuchter zum Benetzen der PEM-Schichten des Brennstoffzellenstapels und zum Erleichtern des Leitens von Protonen von den Anodenschichten zu den Kathodenschichten der MEA notwendig. Diese peripheren Vorrichtungen erfordern umfangreiche zusätzliche Hardware, was ebenfalls zu einem schlechten Systemwirkungsgrad führen kann. Dies stellt bei vielen Anwendungen, beispielsweise Fahrzeuganwendungen, bei denen es erwünscht ist, dass Gewicht und Größe eines Brennstoffzellensystems minimiert werden, Probleme dar.
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Es besteht nach wie vor Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem, das eine optimierte Masse und ein optimiertes Volumen aufweist und das mit einer optimierten Menge an Komponenten gefertigt werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zum Zusammenbauen eines Brennstoffzellensystems beschrieben.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren der Erfindung zunächst das Einsetzen der Federn in einem nicht komprimierten Zustand und dann das Ausüben einer Kompressionsbelastung auf die mehreren Federn, wobei die Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin vorgesehenen Beschreibung ersichtlich.
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Zeichnungen
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke.
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1 zeigt eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur zwei Zellen dargestellt);
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2 ist eine perspektivische Ansicht, die den zusammengebauten PEM-Brennstoffzellenstapel von 1 mit einem Kompressionsbeibehaltungssystem nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
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3 ist eine Seitenansicht des zusammengebauten PEM-Brennstoffzellenstapels mit dem in 2 dargestellten Kompressionsbeibehaltungssystem;
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4A ist eine Seitenansicht eines Teils des in 2 und 3 veranschaulichten Kompressionsbeibehaltungssystems, das nicht zusammengebaut und ohne Federn gezeigt ist;
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4B ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des in 4A veranschaulichten Kompressionsbeibehaltungssystems;
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5A ist eine Seitenansicht des in 2 und 3 veranschaulichten Kompressionsbeibehaltungssystems, das zusammengebaut und mit Federn gezeigt ist;
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5B ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des in 5A veranschaulichten Kompressionsbeibehaltungssystems;
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6 ist eine perspektivische Ansicht des in 2 und 3 veranschaulichten Kompressionsbeibehaltungssystems, das eine Endplatte umfasst; und
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7A bis 7D sind perspektivische Teilansichten, die eine veranschaulichende Montageabfolge des in 2 und 3 dargestellten Kompressionsbeibehaltungssystems, das eine Federhalterung zum Einsetzen der Feder umfasst, zeigen.
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Eingehende Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6, die durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 voneinander getrennt sind. Der in 1 dargestellte veranschaulichende PEM-Brennstoffzellenstapel 2 weist zwei Zellen auf, wenngleich sich versteht, dass ein Brennstoffzellenstapel 2 in der Praxis viel mehr Brennstoffzellen umfassen kann. Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen Endeinheiten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 miteinander gestapelt. Das Endkontaktelement 14, beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 und das Endkontaktelement 16 enthalten mehrere Strömpfadnuten bzw. -kanäle 18, 20, 22, 24 zum Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen, wie zum Beispiel H2 & O2, zu den MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen und elektrische Isolierung zwischen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 sind typischerweise aus einem gaspermeablen leitenden Material, wie zum Beispiel Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapier, gebildet. Die Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 werden veranlasst, jeweils gegen die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 zu drücken. Die Endkontaktelemente 14, 16 werden veranlasst, jeweils gegen die Diffusionsmedien 34, 40 zu drücken, während die Bipolarplatte 8 veranlasst wird, gegen das Diffusionsmedium 36 an einer Anodenseite der MEA 4, die zum Aufnehmen von wasserstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist, und gegen das Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite der MEA 6, die zum Aufnehmen eines sauerstoffhaltigen Reaktanden ausgelegt ist, zu drücken. Der sauerstoffhaltige Reaktand wird einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 46 mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 42 zugeführt. Der wasserstoffhaltige Reaktand wird einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 aus einem Speichertank 48 mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 44 zugeführt. Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als sauerstoffhaltiger Reaktand und der Anode Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen zugeführt werden. Ablassleitungen (nicht gezeigt) sowohl für die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 50, 52 und 54 sind zum Zuführen eines Kühlmittels zu der Bipolarplatte 8 und den Endeinheiten 14, 16 vorgesehen. Geeignete Leitungen (nicht gezeigt) zum Ablassen von Kühlmittel aus der Bipolarplatte 8 und den Endeinheiten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen.
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Es versteht sich, dass zwar die hierin offenbarten bestimmten Ausführungsformen Brennstoffzellensysteme beschreiben, die PEM-Brennstoffzellen aufweisen, die Erfindung der Offenbarung aber auf Brennstoffzellensysteme angewendet werden kann, die andere Arten von Brennstoffzellen nutzen. Die anderen Arten von Brennstoffzellen können zum Beispiel Metallhydrid-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen und Alkali-Brennstoffzellen umfassen.
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Unter Bezug als Nächstes auf 2 und 3 wird eine Ausführungsform eines offenbarungsgemäßen Brennstoffzellensystems 200 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 weist den Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen 202 auf, die zwischen einer ersten Endeinheit 204 und einer zweiten Endeinheit 206 angeordnet sind. Durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem 208 wird eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 202 ausgeübt.
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In bestimmten Ausführungsformen ist mindestens eine der ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 eine Endplatte. In einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform nehmen die ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 mindestens ein und in besonderen Ausführungsformen mehr als ein Brennstoffzellensubsystem und zugehörige Vorrichtungen 207 auf, die bei der Vorbehandlung und dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 beteiligt sind. Als nicht einschränkende Beispiele können die Brennstoffzellensubsysteme und zugehörigen Vorrichtungen 207, die in den ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 aufgenommen sind, Fluidkanäle umfassen, z. B. Wasserstoffbrennstoff- und Oxidationsmittelkanäle (O2/Luft), Kühlmittelpumpen, Rückführungspumpen, Ablassventile, Isolierung, Gebläse, Verdichter, Ventile, elektrische Anschlüsse, Reformer, Befeuchter, Wasserdampfübertragungseinrichtungen, Wärmetauscher und zugehörige Instrumentierung. Es sollte erkannt werden, dass auch zusätzliche Brennstoffzellensubsysteme und zugehörige Vorrichtungen 207, die bei der Lagerung des Brennstoffzellensystems 200 verwendet werden, in den ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 aufgenommen werden können. Das Integrieren der Brennstoffzellensubsysteme und zugehörigen Vorrichtungen 207 in die Endeinheiten 204, 206 trägt zu schnelleren Kaltstarts bei, da die Systeme aufgrund der Nähe zu dem Brennstoffzellenstapel 2 schneller erwärmt werden. Weiterhin führt das Integrieren zu schnelleren Neustarts, da außerhalb des Systems wenig oder keine Installation vorhanden ist, d. h. eine Möglichkeit für Wärmeenergieverlust ist minimiert. Das Integrieren der Brennstoffzellensubsysteme und zugehörigen Vorrichtungen 207 in die Endeinheiten 204, 206 beseitigt auch die Notwendigkeit eines Außengehäuses und von Außenleitungen, wodurch die gesamte thermische Masse des Systems minimiert wird.
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Die ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 der vorliegenden Offenbarung können jede beliebige Form aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Endeinheiten 204, 206 eine Wölbung auf, die zum Umwandeln der Kompressionskraft von dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 in eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckspannung über dem Brennstoffzellenstapel 2 ausreicht. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Wölbung einer der Endeinheiten 204, 206 durch einen einzelnen Radius festgelegt sein, zum Beispiel eine halbkreisförmige Querschnittform. Die Gesamtkrümmung der Endeinheiten 204, 206 kann auch durch mehrere Radien festgelegt sein. Es versteht sich, dass die Radien von der Breite und Dicke der Endeinheiten 204, 206 sowie der für das Brennstoffzellensystem 200 verfügbaren Gesamthöhe abhängen und nach Bedarf gewählt werden können. Die Wölbung kann auch weitere mittlere Radien oder Zwischenradien aufweisen und kann Flächen umfassen, die nicht durch Radien charakterisierbar sind, z. B. allmählich oder stetig abfallende Flächen. Es sollte von einem Fachmann erkannt werden, dass die Struktur, Materialzusammensetzung und Wölbung der ersten Endeinheit 204, die vorstehend erwähnt wurde, gleichermaßen auf die zweite Endeinheit 206 der Erfindung angewendet werden kann.
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Die ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 können in geeigneter Weise aus Metall, Metalllegierungen oder Kunststoff oder Kunststoffverbundwerkstoffen gebildet sein. Zur Veranschaulichung ist das Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterial ein Hochleistungskunststoff. Der Hochleistungskunststoff kann als nicht einschränkende Beispiele gewählt werden aus Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyphenylsulfonen (PPSU), Polysulfonen (PSU), Polysupersulfonen (PSS), Polyphthalamiden (PPA), Polyarylamiden (PAA), Polyamidimiden (PAI), Polyetherimiden (PEI), ultrahochmolekularen Polyethylenen (UHMWPE), Phenolkunststoffen und Kombinationen derselben. Das Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterial kann weiterhin ein oder mehrere verstärkende Füllstoffe umfassen. Geeignete Füllstoffe umfassen als nicht einschränkende Beispiele beschichtete oder unbeschichtete Polyesterfasern, Aramidfasern, Aramidfasermasse, Kohlenstofffasern, Kohleschwarzpulver, Graphitpulver, Metallpulver, Metallfasern, Glasfasern, Glaspulver, Hohlglaskugeln und Kombinationen derselben. Herkömmliche Zusätze für Kunststoffverbindungen können ebenfalls in den beschriebenen Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterialien enthalten sein. Nicht einschränkende beispiele für herkömmliche Zusätze umfassen nicht verstärkende Füllstoffe (z. B. Calciumcarbonat, Siliciumdioxid), Weichmacher, Alterungsschutzmittel (z. B. Antioxidationsmittel, Ozonschutzmittel, UV-Absorber), Pigmente und Farbestoffe sowie Verarbeitungshilfsmittel. Ein Fachmann sollte erkennen, dass geeignete Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterialien basierend auf Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, chemischer Beständigkeit und Maßhaltigkeit gewählt werden. Geeignete Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterialien schwellen zum Beispiel bei Einwirken von Wasser nicht signifikant an und bauen auch nicht bei Einwirken von Temperaturen, die mit einem typischen Betrieb von Brennstoffzellenstapeln einhergehen, signifikant ab. Es versteht sich auch, dass geeignete Kunststoffmaterialien keine Materialien enthalten, die lecken oder aus dem Material und in den Brennstoffzellenstapel 2 signifikant migrieren. Ferner versteht sich, dass die Endeinheiten 204, 206 den Brennstoffzellenstapel 2 und integrierte Subsysteme isolieren können.
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Unter Bezug auf 2 bis 4B umfasst das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 nach der vorliegenden Offenbarung eine erste Platte 210, die die zweite Platte 212 überlappt und benachbart dazu angeordnet ist. Die erste Platte 210 umfasst mehrere darin ausgebildete erste Fenster 214. Die zweite Platte 212 umfasst ebenfalls mehrere darin ausgebildete zweite Fenster 216. Die mehreren ersten Fenster 214 und die mehreren zweiten Fenster 216 wirken zusammen, um mehrere Öffnungen 218 in dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 zu bilden, die zum Aufnehmen mehrerer Federn 220 darin ausgelegt sind. In einer in 4A gezeigten Ausführungsform sind die ersten Fenster 214 und die zweiten Fenster 216 jeweils vertikal voneinander versetzt, um die mehreren Öffnungen 218 mit Abmessungen zu bilden, die sich von den Abmessungen der einzelnen ersten und zweiten Fenster 214, 216 unterscheiden.
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Es versteht sich, dass die mehreren Federn 220 genutzt werden, um dem Brennstoffzellenstapel 2 die Kompressionskraft zu bieten. In bestimmten Ausführungsformen werden die mehreren Federn 220 komprimiert. Die mehreren Federn 220 können als veranschaulichende Beispiele ein oder mehrere Scheibenfedern und/oder Spiralfedern umfassen. Zusätzliche geeignete Federn können zum Beispiel flache Federn, Blattfedern, gewellte Federn und Gasfedern umfassen. Die Federn 220 können nach Bedarf benachbart zueinander gestapelt oder anderweitig angeordnet sein. Ein Durchschnittsfachmann sollte verstehen, dass die Federn 220 bei Zusammenpressen und Einsetzen in die Öffnungen 218 eine Zuglast auf sowohl die erste als auch die zweite Platte 210, 212 ausüben. Wie in 4A gezeigt wird die erste Platte 210 nach unten gedrückt und die zweite Platte 212 wird nach oben gedrückt. Die auf die erste Platte 210 und die zweite Platte 212 ausgeübte Zuglast liefert dem Brennstoffzellenstapel 2 die Kompressionskraft.
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Die erste und die zweite Platte 210, 212 der Offenbarung sind aus einem Material gebildet, das ausreicht, um dem Brennstoffzellenstapel 2 die Kompressionskraft zu liefern. Geeignete Materialien können zum Beispiel Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterialien umfassen. In einer Ausführungsform umfassen die erste und die zweite Platte 210, 212 eine dünne Schicht aus Metall. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist die dünne Schicht aus Metall ein Blech. Veranschaulichende Beispiele geeigneter Bleche umfassen Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Zinn, Nickel, Titan und Legierungen derselben.
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Es sollte erkannt werden, dass das Blech in verschiedenen Stärken verfügbar ist, die für das erste und zweite Blech 210, 212 der vorliegenden Offenbarung geeignet sind. Als nicht einschränkende Beispiele können geeignete Blechstärken von etwa 0,016 Zoll (etwa 0,4 mm) bis etwa 0,16 Zoll (etwa 4 mm) reichen. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Dicke der ersten und zweiten Platte 210, 212 etwa 0,05 Zoll (etwa 1,2 mm). Es versteht sich aber, dass nach Bedarf Blech anderer Dicke verwendet werden kann. Das Blech ist typischerweise entsprechend den Sollzuglasten bemessen, die auf die Platten 210, 212 ausgeübt werden sollen.
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Die erste und die zweite Platte 210, 212 sind jeweils mit der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 verbunden. Die erste und die zweite Platte 210, 212 können an der ersten bzw. zweiten Endeinheit 204, 206 durch eine (nicht dargestellte) herkömmliche Befestigungsvorrichtung befestigt sein. Als nicht einschränkende Beispiele ist die Befestigungsvorrichtung mindestens eines von: einem Bolzen, einer Schweißverbindung, einer Niete, einer Schnappverbindung und einer Klemme. In bestimmten Ausführungsformen können die Platten 210, 212 nach Ausbildung der Endeinheiten 204, 206 zum Beispiel mittels Formen über der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 angeordnet werden. In gewissen Ausführungsformen ist die erste Platte 210 über der ersten Endeinheit 204 angeordnet. In weiteren Ausführungsformen ist die zweite Platte 212 über der zweiten Endeinheit 206 angeordnet. Als nicht einschränkendes Beispiel können die erste und die zweite Platte 210, 212 den Brennstoffzellenstapel 2 umfangen. Somit sollte ein Fachmann erkennen, dass eine an der ersten und zweiten Platte 210, 212 angelegte Zuglast an der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 Druckspannung hervorruft. Die Druckspannung an der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 führt zu einer Kompressionskraft an dem Brennstoffzellenstapel 2.
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Es versteht sich, dass die Federn 220 den Platten 210, 212 kein wesentliches Biegemoment bieten. Als nicht einschränkendes Beispiel sind die mehreren Federn 220 im Wesentlichen in den Öffnungen 218 des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 zentriert. Demgemäß weisen die erste Platte 210 und die zweite Platte 212 im Wesentlichen kein Biegemoment auf. Ein Fachmann sollte erkennen, dass die Federn 220, wenn sie in den Öffnungen 218 im Wesentlich von der Mitte versetzt angeordnet sind, zu einem unerwünschten Biegemoment führen können. Die unerwünschten Biegemomente können zu mechanischen Spannungen führen, die die Lebensdauer des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 beschränken.
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Unter Bezug nun auf 4a bis 5b kann das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der Offenbarung mehrere Ausrichtungsmerkmale 400 umfassen, die dafür ausgelegt sind, die mehreren Federn 220 im Wesentlichen zu zentrieren, wenn sie in die Öffnungen 218 eingeführt werden. Als nicht einschränkendes Beispiel sind die Ausrichtungsmerkmale 400 an mindestens einer von erster Platte 210 und zweiten Platte 212 zum Beispiel durch Schneiden oder Stanzen der Ausrichtungsmerkmale 400 in die Platten 210, 212 gebildet. Ein Durchschnittsfachmann sollte wissen, dass das Bilden der Merkmale 400 aus den Platten 210, 212 eine Anzahl zusätzlicher Komponenten minimiert, die zum Festhalten der Federn 220 erforderlich sind. Wie in 4B gezeigt umfassen die Ausrichtungsmerkmale 400 Laschen, die zum Beispiel flach oder verdreht sind. Es versteht sich, dass nach Bedarf alternative Ausrichtungsmerkmale 400 verwendet werden können, die dafür auslegt sind, die Federn 220 im Wesentlichen zu zentrieren.
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Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 kann weiterhin mehrere Montageabstandshalter 402 umfassen. In bestimmten Ausführungsformen sind die Montageabstandshalter 402 an den Ausrichtungsmerkmalen 400 angeordnet. Die Montageabstandshalter 402 sind dafür ausgelegt, zum Beispiel übereinander gestapelt zu werden, und ermöglichen das Verwenden des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 mit Federn 220 unterschiedlicher Maße. Dadurch kann das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 mit Brennstoffzellenstapeln 2 mit unterschiedlicher Anzahl an Brennstoffzellen 202 verwendet werden.
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In weiteren Beispielen wirken die Montageabstandshalter 402 einer Trennung der ersten und zweiten Platte 210, 212 entgegen, die in dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 zueinander benachbart angeordnet sind. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 kann weiterhin ein oder mehrere Halter 404 umfassen, die über benachbarte Kanten der ersten und zweiten Platte 210, 212 gleiten und der Trennung der ersten und zweiten Platte 210, 212 während der Montage und des Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 entgegenwirken. Es versteht sich, dass die eine Kante der ersten oder zweiten Platte 210, 212 so ausgebildet sein kann, dass sie sich über die Kante der benachbarten ersten oder zweiten Platte 210, 212 wölbt, wodurch sie als der eine bzw. die mehreren Halter 404 fungiert.
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Die erste und die zweite Platte 210, 212 des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 können mindestens ein Schlitzmerkmal 406 umfassen. Das Schlitzmerkmal 406 ist zur Verwendung mit einem (nicht dargestellten) Montagewerkzeug ausgelegt und erleichtert eine relative Bewegung der ersten Platte 210 und der zweiten Platte 212. Das Montagewerkzeug kann ein Einführen der mehreren Federn 220 erleichtern. Es versteht sich, dass die Schlitzmerkmale 406 zum Beispiel Öffnungen oder Vertiefungen umfassen können, die in den Platten 210, 212 ausgebildet sind. In einer Ausführungsform sind die Schlitzmerkmale 406 im Wesentlichen kreisförmige Öffnungen, die durch die Platten 210, 212 ausgebildet sind. Nach Bedarf können andere Geometrien für die Schlitzmerkmale 406 verwendet werden.
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Die vorliegende Offenbarung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Zusammenbauen des Brennstoffzellensystems 200. Das Verfahren umfasst zunächst den Schritt des Vorsehens des Brennstoffzellenstapels 2 mit den mehreren Brennstoffzellen 202, die zwischen der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 angeordnet sind. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ist mit der ersten Platte 210 mit den darin ausgebildeten mehreren ersten Fenstern 214 versehen, wobei die erste Platte 210 mit der ersten Endeinheit verbunden ist. Die zweite Platte 212 ist mit den dann ausgebildeten mehreren zweiten Fenstern 216 versehen, und die zweite Platte 212 ist mit der zweiten Endeinheit 206 verbunden. Die mehreren ersten Fenster 214 und die mehreren zweiten Fenster 216 werden dann so ausgerichtet, dass sie die mehreren Öffnungen 218 bilden.
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Nach der Ausrichtung der ersten und zweiten Fenster 214, 216 wird eine der mehreren Federn 220 in eine der Öffnungen 220 eingeführt. In bestimmten Ausführungsformen werden die mehreren Federn 220 vor dem Einführen vorab komprimiert. Die Federn 220 können abhängig von den Maßen des Brennstoffzellenstapels 2 und zum Erreichen einer Soll-Endkompressionskraft an dem Brennstoffzellenstapel 2 nach Bedarf vorab komprimiert werden. Als veranschaulichendes Beispiel können die Federn 220 in ein Druckwerkzeug gesetzt werden, das die Federn 220 auf den erwünschten Druckwert zusammendrückt und das Einführen der Federn 220 in die Öffnungen 218 erleichtert. Es versteht sich, dass nach Bedarf andere Mittel zum Vorabzusammendrücken der Federn 220 und zum Einführen der Federn 220 in das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 verwendet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die mehreren Federn 220 vorab komprimiert, um mit den Ausrichtungsmerkmalen 400 in Verbindung stehend in die Öffnungen 218 eingeführt zu werden. Zum Beispiel wird an der ersten Platte 210 eine erste Kraft ausgeübt, wobei die erste Platte 210 hin zur zweiten Endeinheit 206 gedrückt wird. Eine zweite Kraft wird auf die zweite Platte 212 ausgeübt, wobei die zweite Platte 212 hin zur ersten Endeinheit 204 gedrückt wird. In bestimmten Ausführungsformen wird die erste Kraft durch Einrücken in die Schlitzmerkmale 406 an der ersten Platte 210 mit einem geeigneten Werkzeug und Bewirken eines Bewegens der ersten Platte 210 hin zur zweiten Endeinheit 206 ausgeübt. Analog wird die zweite Kraft durch Einrücken in die Schlitzmerkmale 406 an der zweiten Platte 210 mit einem geeigneten Werkzeug und Bewirken eines Bewegens der zweiten Platte 212 hin zu der ersten Endeinheit 204 ausgeübt. Die vorab komprimierten Federn 220 werden dann in die Öffnungen eingeführt und dürfen sich über den Ausrichtungsmerkmalen 400 entspannen. Die Kompressionskraft wird dadurch mittels der ersten und zweiten Platte 210, 212 auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübt.
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In einer alternativen Ausführungsform werden die mehreren Federn 220 in einem nicht komprimierten Zustand eingeführt. Nach dem Einführen, zum Beispiel mit einem geeigneten Einführwerkzeug, werden die mehreren Federn 220 durch das Anlegen einer Kompressionslast komprimiert. In einem in 6 gezeigten Beispiel wird die Kompressionslast an den mehreren Federn 220 durch Ausüben einer Kraft auf die zweite Platte 212 angelegt, wobei die zweite Platte 212 hin zur zweiten Endeinheit 206 gedrückt wird. Wie bei vorherigen Ausführungsformen kann die Kraft mit einem geeigneten Werkzeug ausgeübt werden, das in die in der zweiten Platte 212 ausgebildeten Schlitzmerkmale 406 greift. Nach dem Ausüben der Kraft auf die zweite Platte 212 wird die zweite Platte 212 an der zweiten Endeinheit 206 befestigt. Die zweite Platte 212 kann durch ein oder mehrere der hierin beschriebenen Befestigungsvorrichtungen befestigt werden. Zum Beispiel kann die zweite Platte 212 durch (nicht dargestellte) Bolzen befestigt werden, die durch in der zweiten Platte 212 und einer Endplatte 602 ausgebildete Bolzenöffnungen 600 eingeführt werden. Es versteht sich, dass die Endplatte 602 zum Beispiel die zweite Endeinheit 206 sein kann. Die Kompressionskraft wird dadurch auf den Brennstoffzellenstapel 202 ausgeübt.
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Unter Bezug auf 7A bis 7D umfasst das Verfahren der Erfindung weiterhin die Schritte des Vorsehens einer Federhalterungsvorrichtung 700, die zum Greifen der ersten Platte 210 und zum im Wesentlichen Umhüllen der Feder 220 ausgelegt ist. Da die Federhalterungsvorrichtung 700 die Federn 220 im Wesentlichen umhüllt, versteht sich, dass längere Federn 220 ohne Knicken verwendet werden können. Die Federhalterungsvorrichtung 700 kann ein oder mehrere (nicht dargestellte) Laschen umfassen, die dafür ausgelegt sind, mit dem einen oder den mehreren Schlitzen 406 zusammenzuwirken, die in der ersten Platte 210 ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst weiterhin das Einrücken der ersten Platte 210 mit der Federhalterungsvorrichtung 700 und das Schieben der Federhalterungsvorrichtung 700 hin zur zweiten Endeinheit 206. Die Federn 220 werden dadurch komprimiert. Nach dem Zusammendrücken der Federn 220 kann die Federhalterungsvorrichtung 700 an der zweiten Platte 212 befestigt werden, z. B. mit einer hierin beschriebenen Befestigungsvorrichtung. In einer anderen Ausführungsform kann die Federhalterungsvorrichtung 700 ein Befestigungsmerkmal 702 umfassen, zum Beispiel einen Schlitz oder Haken, der zum Koppeln mit der zweiten Platte 212 ausgelegt ist. Dadurch wird das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 zusammengebaut.
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Es versteht sich, dass die Gesamthöhe und das Gesamtgewicht des resultierenden Brennstoffzellensystems 200 minimiert werden, wenn das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der Offenbarung keine Zugstangen mit zugehörigen Befestigungsvorrichtungen und Druckmitteln verwendet. Ferner werden die Position und Ausrichtung der einzelnen Federn 220 bezüglich der Brennstoffzellenendeinheiten 204, 206 gesteuert, um Biegemomente zu minimieren. Das Minimieren von Biegemomenten erleichtert die Verwendung dünnerer Platten 210, 212, was eine Gesamtmasse und ein Gesamtvolumen minimiert.
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Es versteht sich auch, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung biegsam oder anpassbar ist, da die Federkonstante des Systems 208 ohne Weiteres angepasst werden kann, um einen breiten Bereich an Lastauslenkungskurven vorzusehen. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ist auch anpassbar, da die Position der Federn 220 angepasst werden kann, um einer breiten Palette von Auslegungen des Brennstoffzellenstapels 2 zu entsprechen.
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Unter erneutem Bezug auf die hierin offenbarten Endeinheiten 204, 206 werden nun schnellere Kaltstarts des Brennstoffzellensystems 200 durch Aufnehmen oder Integrieren der Brennstoffzellensubsysteme und zugehöriger Vorrichtungen 207 in die Endeinheiten 204, 206 des Brennstoffzellensystems 200 verwirklicht. Bisherige Systeme, die getrennte Subsystemkomponenten verwenden, z. B. Luftkühler- und Befeuchter-Komponenten, die größtenteils von Umgebungsluft umgeben sind und Luftströmen unter der Haube (bei Kraftfahrzeuganwendungen) ausgesetzt sind, übertragen Wärme aus dem Brennstoffzellensystem 200 heraus und behindern Kaltstarts. Integrierte Endeinheiten 204, 206, wie sie hierin offenbart werden, können ebenfalls über einen längeren Zeitraum nach Abschalten des Brennstoffzellensystems 200 warm bleiben, was den Bereich eines Kaltstarts über einem Nutzungszyklus verringert. Die schnelleren Startzeiten für das Brennstoffzellensystem 200 der Offenbarung werden auch durch die minimierte thermische Masse dank der optimierten Komponenten in dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der Offenbarung vorgesehen.
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Ein Durchschnittsfachmann sollte auch verstehen, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der Offenbarung für eine Verarbeitung hohen Volumens geeignet ist. Zum Beispiel sind zusätzliche Komponenten für das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 eventuell nicht erforderlich, da die Merkmale in die Platten 210, 212 des Systems gestanzt werden können.
