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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme
und insbesondere Kompressionsbeibehaltungssysteme für Brennstoffzellensysteme.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen
sind als eine saubere, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle
für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen
vorgeschlagen worden. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung,
die eine Anode und eine Kathode mit einer Elektrolytmembran dazwischen
aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt
Sauerstoff auf, die normalerweise durch poröse Materialien verteilt
werden, die als Gasdiffusionsmedien bekannt sind. Das Wasserstoffgas
wird in der Anode katalytisch aufgespalten, um freie Protonen und
Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt
an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den
Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen
von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen
und werden somit durch eine elektrische Last geführt, wie ein
Fahrzeug, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode
geliefert werden.
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Einzelne
Brennstoffzellen werden allgemein in Reihe geschaltet oder aufeinander
gestapelt, um eine Einrichtung auszubilden, die als ein Brennstoffzellenstapel
bezeichnet wird. Der Brennstoffzellenstapel wird in Kompression
belastet, um einen geringen die Schnittstelle bzw. Zwischenfläche
betreffenden elektrischen Kontaktwiderstand zwischen Brennstoffzellenplatten,
den Gasdiffusionsmedien und den Katalysatorelektroden aufrechtzuerhalten.
Der die Zwischenfläche betreffende Kontaktwiderstand in dem
Brennstoffzellenstapel ist direkt der Kompressionsbelastung zugeordnet.
Typischerweise liegen Kompressionslasten an den Brennstoffzellenplatten im
Bereich zwischen etwa 50 bis etwa 400 psi und werden durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem
gesteuert.
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Kompressionsbeibehaltungssysteme
sind typischerweise auf eine Art und Weise ausgelegt, die effektiv
ist, um Belastungen zu kompensieren, die durch ein Anschwellen der
Membran sowie durch eine Entspannung der Kompressionsbelastung in dem
Brennstoffzellenstapel erzeugt werden. Derartige Systeme dienen
dazu, eine Überkompression der Diffusionsmedien in dem
Brennstoffzellenstapel zu minimieren wie auch eine Stapelkompression
und einen Kontaktdruck zwischen bipolaren Platten, den Gas-DM und
den Katalysatorschichten aufrechtzuerhalten. In dem
U.S. Patent Nr. 5,484,666 ist offenbart, dass
herkömmliche Kompressionsbeibehaltungssysteme aus Zugstangen
bestehen, die durch und zwischen Endplattenanordnungen verlaufen
und mit Befestigungsmuttern gesichert sind. Federn, die an die Zugstangen
geschraubt und zwischen den Befestigungsmuttern und den Endplatten
angeordnet waren, sind dazu verwendet worden, eine nachgiebige Kompressionskraft
auf Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung auszuüben.
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Es
existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Kompressionsbeibehaltungssystem,
das eine Minimierung der Federkonstante in Bezug auf herkömmliche
Systeme ermöglicht, indem der Vorteil der verfügbaren
Fläche entlang der Seiten des Brennstoffzellenstapels genutzt
wird. Das Kompressionsbeibehaltungssystem soll auch als eine Ummantelung
gegen elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) sowie
als eine Umwelt- bzw. Umgebungsummantelung dienen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Kompressionsbeibehaltungssystem
entdeckt worden, das eine Minimierung der Federkonstante ermöglicht
und auch als eine EMI-Ummantelung sowie als eine Umweltummantelung
dienen kann.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst ein Kompressionsbeibehaltungssystem
eine erste Endeinheit und eine zweite Endeinheit, die derart ausgestaltet sind,
um dazwischen einen Brennstoffzellenstapel zu halten. Eine Feder
ist derart ausgestaltet, um eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben.
Das Kompressionsbeibehaltungssystem umfasst eine erste Federplatte
und eine zweite Federplatte, zwischen denen die Feder angeordnet
ist. Die erste Federplatte besitzt eine darin geformte Durchbrechung.
Zumindest eine Tafel ist mit der ersten Federplatte und der ersten
Endeinheit gekoppelt. Eine Federstrebe ist durch die Durchbrechung
der ersten Federplatte angeordnet und mit der zweiten Federplatte
und der zweiten Endeinheit gekoppelt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem
das Kompressionsbeibehaltungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der
eine Mehrzahl von dazwischen angeordneten Brennstoffzellen aufweist.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Herstellen des Brennstoffzellensystems die Schritte, dass: der Brennstoffzellenstapel
mit der Mehrzahl von Brennstoffzellen bereitgestellt wird; das Kompressionsbeibehaltungssystem bereitgestellt
wird; der Brennstoffzellenstapel zwischen der ersten Endeinheit
und der zweiten Endeinheit des Kompressionsbeibehaltungssystems
angeordnet wird; die Federstrebe des Kompressionsbeibehaltungssystems
angebracht wird; eine Zugkraft auf die Federstrebe ausgeübt
wird; die Federstrebe mit der zweiten Endeinheit gekoppelt wird;
und die Zugkraft entfernt wird. Hierdurch wird eine Kompressionskraft
auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt, indem die erste
Endeinheit durch die Feder in Richtung der zweiten Endeinheit getrieben
wird.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
insbesondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen
offensichtlich, in welchen:
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1 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
(es sind nur zwei Zellen gezeigt) zeigt, der im Stand der Technik
bekannt ist;
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2 ein
Frontaufriss eines Brennstoffzellensystems mit dem in 1 gezeigten
Brennstoffzellenstapel ist, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem
Kompressionsbeibehaltungssystem gemäß der vorliegenden
Offenbarung zusammengebaut ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht des in 2 gezeigten
Kompressionsbeibehaltungssystems ist, das ohne den Brennstoffzellenstapel
gezeigt ist;
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4 ein
bruchstückhafter Frontaufriss einer Seitenfeder des in
den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems
ist;
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5 ein
bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems
ist, der eine erste und zweite Tafel zeigt, die an einem Federgehäuse
angebracht sind;
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6 ein
bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems
ist, der ein Umlegen bzw. Falten der ersten Tafel um eine erste
Federplatte und eine Befestigung an sich selbst zeigt;
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7 ein
bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems
ist, das ein Hängemerkmal zeigt, das der ersten Federplatte
hinzugefügt ist und mit einem in einer der Tafeln gefundenen
Loch zusammenwirkt;
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8 eine
schematische perspektivische Ansicht des Kompressionsbeibehaltungssystems
gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, die eine
erste Ummantelung zeigt, die mit einer zweiten Ummantelung zusammenwirkt;
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9 eine
vergrößerte bruchstückhafte schematische
Ansicht des in 8 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems
ist, die eine Dichtung zwischen der ersten Ummantelung und der zweiten
Ummantelung zeigt;
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10 eine
perspektivische Ansicht eines Kompressionswerkzeugs zum Zusammenbauen
des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist; und
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11 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des in 10 gezeigten
Kompressionswerkzeugs ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung bzw.
den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei zu verstehen,
dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen auch gleiche
oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die
offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich
beispielhafter Natur und sind somit weder notwendig noch kritisch.
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1 zeigt
einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen
(MEAs) 4, 6, die voneinander durch eine elektrisch
leitende bipolare Platte 8 getrennt sind. Der in 1 gezeigte,
illustrative Brennstoffzellenstapel 2 besitzt zwei Zellen,
obwohl angemerkt sei, dass ein Brennstoffzellenstapel 2 in
der Praxis viel mehr Brennstoffzellen aufweisen kann. Dem Fachmann
sei ferner angemerkt, dass gemäß der vorliegenden
Offenbarung andere Brennstoffzellenkonstruktionen und -typen verwendet
werden können, wie Metallhydrid-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen,
Festoxid-Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen sowie
Alkali-Brennstoffzellen.
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Die
MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen
zwei Endplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 aneinander
gestapelt. Das Endkontaktelement 14, beide Arbeitsseiten
der bipolaren Platte 8 sowie das Endkontaktelement 16 enthalten eine
Mehrzahl von Strömungspfadnuten bzw. -kanälen 18, 20, 22, 24 zur
Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen, wie beispielsweise
H2 und O2 an die
MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen
Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen Komponenten
des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Diffusionsmedien
(DM) 34, 36, 38, 40 sind typischerweise
durch ein gaspermeables leitendes Material gebildet, wie beispielsweise
Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapier. Die DM 34, 36, 38, 40 werden gegen
die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Die
Endkontaktelemente 14, 16 werden gegen die DM 34 bzw. 40 gepresst,
während die bipolare Platte 8 gegen das DM 36 an
einer Anodenseite der MEA 4, die derart ausgestaltet ist,
um einen Wasserstoff führenden Reaktanden aufzunehmen,
und gegen das DM 38 auf einer Kathodenseite der MEA gepresst wird,
die derart ausgestaltet ist, um einen Sauerstoff führenden
Reaktanden aufzunehmen. Der Sauerstoff führende Reaktand
wird an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem
Speichertank 46 über eine geeignete Lieferleitung 42 geliefert.
Der Wasserstoff führende Reaktand wird an eine Anodenseite
des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 48 durch
eine geeignete Lieferleitung 44 geliefert. Alternativ dazu
kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Sauerstoff führender
Reaktand und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Methanolreformer,
einem Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden.
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Es
sind auch Austragsleitungen (nicht gezeigt) für sowohl
die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 vorgesehen.
Zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 sind
zur Lieferung eines Kühlmittels an die bipolare Platte 8 und
die Endplatten 14, 16 vorgesehen. Es sind auch
geeignete Leitungen (nicht gezeigt) zum Austrag von Kühlmittel
von der bipolare Platte 8 und den Endplatten 14, 16 vorgesehen.
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Als
Nächstes Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist
ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß der
vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 weist
den Brennstoffzellenstapel 2 auf, der eine Vielzahl einzelner
Brennstoffzellen 202 besitzt, die zwischen einer ersten
Endeinheit 204 und einer zweiten Endeinheit 206 angeordnet
sind. Eine Kompressionskraft wird durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem 208 auf
den Brennstoffzellenstapel 202 ausgeübt.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen ist zumindest eine der ersten
und zweiten Endeinheit 204, 206 eine Endplatte.
Bei einer besonders illustrativen Ausführungsform beherbergen
die erste und zweite Endeinheit 204, 206 zumindest
ein Brennstoffzellen-Subsystem 207 oder eine verwandte
Vorrichtung, die für die Vorkonditionierung und den Betrieb
des Brennstoffzellenstapels 2 dient. Als nicht beschränkende
Beispiele können Brennstoffzellen-Subsysteme 207 und
verwandte Vorrichtungen, die in der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 beherbergt
sind, Fluiddurchgänge, wie Wasserstoff-Brennstoff- und Oxidationsmittel-(O2/Luft)-Durchgänge, Kühlmittelpumpen,
Umwälzpumpen, Ablaufventile, Isolierung, Gebläse,
Kompressoren, Ventile, elektrische Verbindungen, Reformer, Befeuchter,
Wasserdampfübertragungseinheiten, Wärmetauscher
und dergleichen oder verwandte Instrumentierung umfassen. Die Integration
des Brennstoffzellen-Subsystems 207 und verwandter Vorrichtungen
in die Endeinheiten 204, 206 trägt zu
schnelleren Kaltstarts bei, da die Systeme aufgrund der Nähe
zu dem Brennstoffzellenstapel 2 schneller erwärmt
werden. Ferner hat die Integration schnellere Neustarts zur Folge,
da weniger oder keine Verrohrung außerhalb des Brennstoffzellensystems 200 vorhanden
ist und eine Möglichkeit zum Verlust von Wärmeenergie
minimiert ist. Die Integration des Brennstoffzellen-Subsystems 207 und
verwandter Vorrichtungen in die Endeinheiten 204, 206 beseitigt
auch den Bedarf nach einem externen Gehäuse und Leitungen,
wodurch die gesamte thermische Masse des Brennstoffzellensystems 200 minimiert
wird.
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Die
erste und zweite Endeinheit 204, 206 können
geeignet aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Kunststoffverbund-
bzw. compositmaterialien geformt sein. Das Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterial
kann ferner einen oder mehrere verstärkende Füllstoffe
aufweisen. Geeignete Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterialien
schwellen weder signifikant an, wenn sie Wasser ausgesetzt werden,
noch verschlechtern sie sich signifikant bei Kontakt zu Temperaturen,
die einem typischen Betrieb von Brennstoffzellenstapeln zugeordnet
sind. Es sei auch angemerkt, dass geeignete Kunststoffmaterialien
keine Materialien enthalten, die aus dem Material und in den Brennstoffzellenstapel 2 signifikant
ausgelaugt werden oder in diesen wandern. Es sei ferner angemerkt,
dass die Endeinheiten 204, 206 den Brennstoffzellenstapel 2 und
integrierte Subsysteme isolieren können.
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Nun
Bezug nehmend auf 4 umfasst das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 gemäß der vorliegenden
Offenbarung eine erste Tafel 210 und eine zweite Tafel 212.
Die erste Endeinheit 204 liegt an den Tafeln 210, 212 an.
Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 umfasst ferner
eine erste Federplatte 214 und eine zweite Federplatte 216.
Zwischen der ersten Federplatte 214 und der zweiten Federplatte 216 ist
eine Feder 218 angeordnet. Die erste Federplatte 214 ist
mit dem Paar von Tafeln 210, 212 gekoppelt und
besitzt eine darin geformte Durchbrechung 220. Die zweite
Federplatte 216 ist mit einer Federstrebe 222 gekoppelt.
Die Federstrebe 222 ist durch die Durchbrechung 220 in
der ersten Federplatte 214 angeordnet und ferner mit der
zweiten Endeinheit 206 gekoppelt, wie in 3 gezeigt
ist.
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Es
sei zu verstehen, dass die Feder 218 die Kompressionskraft
für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitstellt.
Bei besonderen Ausführungsformen wird die Feder 218 bei
Zusammenbau des Brennstoffzellensystems 2 unter Kompression
gesetzt. Während des Betriebs des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 treibt
die Feder 218 die erste Federplatte 214 weg von
der zweiten Federplatte 216 und treibt dadurch die erste
Endeinheit 204 in Richtung der zweiten Endeinheit 206.
Die Feder 218 kann als illustrative Beispiele eine oder
mehrere Tellerfedern und/oder Schraubenfedern aufweisen. Zusätzlich
geeignete Typen der Feder 218 können beispielsweise planare
Federn, Flachfedern, Wellenfedern und Gasfedern umfassen. Die unter
Kompression stehende Feder 218 sieht dadurch die Kompressionskraft
für den Brennstoffzellenstapel 2 vor.
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Die
erste und zweite Tafel 210, 212 der Offenbarung
sind aus einem Material geformt, das ausreichend ist, um die Kompressionskraft
für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitzustellen.
Geeignete Materialien können Metall, Metalllegierungen,
Kunststoff sowie Kunststoffverbundstoffmaterialien umfassen. Bei
einer Ausführungsform umfassen die erste und zweite Tafel 210, 212 eine
dünne Metalllage. Bei einem nicht beschränkenden
Beispiel ist die dünne Lage aus Metall ein Blech. Illustrative
Bei spiele geeigneter Bleche umfassen Aluminium, Messing, Kupfer,
Stahl, Zinn, Nickel, Titan sowie deren Legierungen. Es sei angemerkt,
dass Blech in einer Vielzahl von Stärken verfügbar
ist, die für die erste und zweite Metalltafel 210, 212 der
vorliegenden Offenbarung geeignet sind. Als nicht beschränkende
Beispiele können geeignete Blechstärken im Bereich
von etwa 0,016 Zoll (etwa 0,4 mm) bis etwa 0,16 Zoll (etwa 4 mm)
liegen. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt
die Dicke der ersten und zweiten Tafel 210, 212 etwa
0,05 Zoll (etwa 1,2 mm). Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls
auch Blech mit anderer Dicke verwendet werden kann. Das Blech wird
typischerweise gemäß den Soll-Zuglasten, die auf
die Tafeln 210, 212 ausgeübt werden sollen,
bemessen.
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Die
Tafeln 210, 212 können mit der ersten Endeinheit 204 und
der ersten Federplatte 214 durch eine beliebige herkömmliche
Befestigungsvorrichtung gekoppelt sein. Als nicht beschränkende
Beispiele ist die Befestigungsvorrichtung ein Bolzen bzw. eine Schraube,
eine Schweißnaht, ein Niet, eine Schnappverbindung und/oder
eine Klemmverbindung. Bei einer bestimmten Ausführungsform
sind die Tafeln 210, 212 nach der Formung der
Endeinheit 204 beispielsweise über Formgebung über
der ersten Endeinheit 204 angeordnet und bedecken diese. Die
Tafeln 210, 212 können mit der ersten
Endeinheit 204 über Reibung gekoppelt sein. Es
sei zu verstehen, dass die Tafeln 210, 212, wenn
sie die erste Endeinheit 204 bedecken, für eine
optimierte Verteilung von Kompressionskräften an der ersten
Endeinheit 204 sorgen können. Andere geeignete
Mittel zum Koppeln der Tafeln 210, 212 an der
ersten Endeinheit 204 und der ersten Federplatte 214 können
gegebenenfalls verwendet werden.
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Die
zweite Federplatte 216 kann ebenfalls durch eine beliebige
herkömmliche Befestigungsvorrichtung mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt sein.
Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die zweite Federplatte 216 über
einen Bolzen bzw. eine Schraube 224 an der zweiten Endeinheit 206 befestigt.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Federstrebe 222 ein
erstes Ende 225 mit einem Außengewinde und ein
zweites Ende 227 mit einem Innengewinde aufweisen. Das
erste Ende 225 mit dem Außengewinde kann fest
in die zweite Federplatte 216 geschraubt werden. Das Außengewinde
des ersten Endes 225 kann eine Einstellung der auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübten
Kompressionskraft unterstützen. Das zweite Ende 227 mit
dem Innengewinde kann sicher in den durch die zweite Endeinheit 206 angeordneten
Bolzen 224 geschraubt werden, um die Federstrebe 222 mit
der zweiten Endeinheit 206 zu koppeln. Die zweite Federplatte 216 kann
dadurch mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform kann das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 eine
Tafeltrenneinrichtung 228 aufweisen. Die Tafeltrenneinrichtung 228 ist
zwischen den Tafeln 210, 212 benachbart der zweiten
Federplatte 216 angeordnet. Die Tafeltrenneinrichtung 228 ist
derart angepasst, um die Tafeln 210, 212 mit einer
Breite zu beabstanden, die für eine Anordnung der Feder 218 dazwischen
ausreichend ist. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Tafeltrenneinrichtung 228 ein
C-Kanal-Element sein. Wie in 6 ferner
gezeigt ist, kann die Tafeltrenneinrichtung 229 ein zylindrisches
Element sein, wie ein Rohr. Gegebenenfalls können andere geeignete
Formen zum Beabstanden des Paares von Tafeln 210, 212 verwendet
werden.
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Wie
in 5 gezeigt ist, kann die Feder 218 in
einem Gehäuse 230 angeordnet sein. Das Gehäuse 230 kann
die Feder 218 und zumindest eine der ersten und zweiten
Federplatte 214, 216 im Wesentlichen umschließen.
Es sei zu verstehen, dass das Gehäuse 230 auch
als die Tafeltrenneinrichtung 228 dienen kann. Das Gehäuse 230 kann
eine im Wesentlichen rechtwinklige Querschnittsform besitzen, wie
beispielsweise, wenn das Gehäuse 230 ein Schlauch
oder ein Rohr ist. Andere geeignete Formen für das Gehäuse 230 können
ebenfalls verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann
das Gehäuse 230 mit der ersten Federplatte 214 und
den Tafeln 210, 212 gekoppelt sein. Jede der Tafeln 210, 212 kann
an entgegengesetzten Seiten des Gehäuses 230 angeordnet
und beispielsweise durch ein beliebiges herkömmliches Befestigungselement
damit gekoppelt sein.
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Unter
neuerlichem Bezug auf 6 können die Tafeln 210, 212 nach
Bedarf mit der ersten Endeinheit 204 gekoppelt sein. Das
Paar von Tafeln 210, 212 kann beispielsweise aus
einer umgeschlagenen bzw. gefalteten fortlaufenden Tafel geformt sein.
Bei der Ausführungsform von 6 kann die erste
Tafel 210 eine Faltung 232 um die erste Federplatte 214 herum
bilden. Ein Abschnitt der ersten Tafel 210 an der Innenseite
des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 kann direkt mit
der ersten Endeinheit 204 gekoppelt sein. Ein Abschnitt
der ersten Tafel 210, der die Faltung 232 um die
erste Federplatte 214 herum bildet, kann dann an dem mit
der ersten Endeinheit 204 gekoppelten Abschnitt befestigt
sein. Die Tafel 210 kann hierdurch als das Paar von Tafeln 210, 212 funktionieren
und sowohl an der ersten Endeinheit 204 als auch der ersten
Federplatte 214 anliegen.
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Wie
ferner in 7 gezeigt ist, kann die erste Federplatte 214 zumindest
ein Hängemerkmal 234 aufweisen, wie beispielsweise
eine Lasche. Zumindest eine der Tafeln 210, 212 besitzt
ein darin geformtes Loch 236, das derart angepasst ist,
um mit dem Hängemerkmal 234 zusammenzuwirken.
Die erste Federplatte 214 kann ferner eine darin geformte Nut 238 aufweisen,
in die zumindest eine der ersten und zweiten Tafel 210, 212 eingesetzt
werden kann, um die Tafeln 210, 212 an der ersten
Federplatte 214 anzubringen.
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Das
Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung
kann auch als eine kombinierte EMI-Abschirmung wie auch als eine
Umweltabschirmung für den Brennstoffzellenstapel 2 dienen.
Wie in den 8 und 9 angezeigt
ist, kann zumindest eine der Tafeln 210, 212 über
die erste Federplatte 214 hinausführen, um eine
obere erste Ummantelung 240 zu bilden. Die erste Ummantelung 240 kann
ferner Tafeln aufweisen, die benachbart dem vorderen Bereich und
im hinteren Bereich des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet
sind, um einen oberen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 im
Wesentlichen zu umschließen. Die erste Ummantelung 240 ist
derart angepasst, um eine ähnliche untere zweite Ummantelung 242 zu überlappen
und mit dieser zusammenzuwirken, die mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt
ist. Bezug nehmend auf 9 kann die erste und zweite
Ummantelung 240, 242 eine dazwischen angeordnete
Dichtung 244 aufweisen. Die Dichtung 244 ist allgemein
polymer und unterstützt eine im Wesentlichen fluiddichte
Abdichtung zwischen der ersten und zweiten Ummantelung 240, 242.
Bei einer besonderen Ausführungform ist die Dichtung 244 eine
kombinierte EMI- und Umgebungsabsteifdichtung, wie eine axiale polymere
Dichtung, die eine im wesentlichen fluiddichte Abdichtung erzeugt,
während eine relative Bewegung der ersten und zweiten Ummantelung 240, 242 ermöglicht
wird. Die Abstreifdichtung kann zum Umschließen von Fluid
verwendet werden und verhindern, dass Schmutz in den Brennstoffzellenstapel 2 eintritt.
Der Fachmann kann gegebenenfalls andere geeignete Dichtungen wählen.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung
des Brennstoffzellensystems 200. Das Verfahren umfasst
zunächst die Schritte, dass der Brennstoffzellenstapel 2 mit
der Vielzahl von Brenn stoffzellen bereitgestellt wird und das Kompressionsbeibehaltungssystem 208,
wie hier oben beschrieben ist, bereitgestellt wird. Der Brennstoffzellenstapel 2 wird
dann zwischen der ersten Endeinheit 204 und der zweiten
Endeinheit 206 angeordnet. Die Federstrebe 222 des
Kompressionsbeibehaltungssystems 208 wird angebracht. Beispielsweise
kann die Federstrebe 222 einen aufgeweiteten Abschnitt
aufweisen, der derart angepasst ist, dass er beispielsweise durch
ein Kompressionswerkzeug sicher ergriffen werden kann (wie in den 10 und 11 gezeigt
ist).
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Das
Verfahren umfasst ferner den Schritt, dass eine Zugkraft auf die
Federstrebe 222 aufgebracht wird, wodurch eine Kompressionslast
auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübt wird.
Die Federstrebe 222 wird dann mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt
und die Zugkraft entfernt. Es sei angemerkt, dass, nachdem die Zugkraft
ausgeübt wird, die Federstrebe 222 angebracht
wird, und nachdem die Zugkraft entfernt wird, die Feder 218 komprimiert wird.
Die Feder 218 treibt die erste und zweite Federplatte 214, 216 bei
Beendigung des Zusammenbaus des Brennstoffzellensystems 200 voneinander
weg.
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Nun
Bezug nehmend auf die 10 und 11 kann
das Verfahren der vorliegenden Offenbarung mit einem Kompressionswerkzeug 300 ausgeführt
werden. Das Kompressionswerkzeug 300 umfasst eine Druckplatte 302,
ein Paar von Seitenplatten 306 und zumindest ein Paar von
Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben. Die Druckplatte 302 ist
zwischen den Seitenplatten 306 angeordnet. Jede Schiene 308 zum
Ergreifen der Federstreben ist an einer der Seitenplatten 306 angebracht.
Die Druckplatte 302 ist derart ausgestaltet, um zu bewirken,
dass die Seitenplatten 306 und die Schienen 308 zum
Ergreifen der Federstreben die Kompressionslast für den
Brennstoffzellenstapel 2 bei Einsetzen des Brennstoffzellenstapels 2 und
des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 in das Kompressionswerkzeug 300 ausüben.
Durch Ausüben einer Kompressionskraft auf die Druckplatte 302 sehen
die Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben eine Zuglast
für die Federstreben 222 vor. Die Schienen 308 zum
Ergreifen der Federstreben können mit der Federstrebe 222 des
Brennstoffzellensystems 200 in Kontakt stehen, um die Kompressionslast
auf den Brennstoffzellenstapel 2 auszuüben. Wenn
die Kompressionskraft von der Druckplatte 302 anschließend entlastet
wird, sei zu verstehen, dass das Anbringen der Federstrebe 222 an
der zweiten Endeinheit 206 zur Folge hat, dass die Kompression
der Feder 218 und des Brennstoffzellenstapels 2 gehalten
wird.
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Es
sei angemerkt, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der
vorliegenden Offenbarung eine Höhe des Brennstoffzellensystems 2 dadurch
optimiert, dass die Federn 218 an den Seiten des Brennstoffzellensystems 2 anstatt
an der Oberseite angeordnet sind, wie es der Fall bei bestimmten bekannten
Kompressionsbeibehaltungssystemen ist. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 besitzt ferner
eine optimierte Federkonstante durch die Fähigkeit, Federn 218 mit
geringerer Kompression an den Seiten des Brennstoffzellenstapels 2 zu
verwenden. Die optimierte Federkonstante sieht eine verbesserte
Haltbarkeit gegenüber Kompressionsbeibehaltungssystemen 208 nach
dem Stand der Technik vor.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der in den folgenden angeführten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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