DE102012221407A1 - End plate arrangement for electrochemical device e.g. fuel cell stack, has end plate that is provided with pressure distributing element which is formed of variable-shape-under-pressure-acting pressure distribution material - Google Patents

End plate arrangement for electrochemical device e.g. fuel cell stack, has end plate that is provided with pressure distributing element which is formed of variable-shape-under-pressure-acting pressure distribution material Download PDF

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Jürgen Kraft
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Abstract

The end plate arrangement (134) has an end plate (106,108) that is provided with a pressure distributing element which is formed of variable-shape-under-pressure-acting pressure distribution material. The pressure distribution material is provided with the polymer material and gel material. A cover portion is made of the metallic material, and is formed on the pressure distribution material. The portion of the cover portion is connected with the end plate. An independent claim is included for a method for manufacturing electrochemical device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Endplattenanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung, welche eine Endplatte umfasst.The present invention relates to an end plate assembly for an electrochemical device comprising an end plate.

Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere ein Brennstoffzellenstapel oder ein Elektrolyseur sein. Such an electrochemical device may in particular be a fuel cell stack or an electrolyzer.

Ein Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzelleneinheiten, welche in einem Stapel übereinander angeordnet sind, wobei der Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten zwischen zwei Endplatten verspannt wird. A fuel cell stack comprises a plurality of fuel cell units, which are arranged one above the other in a stack, wherein the stack of fuel cell units is clamped between two end plates.

Die Endplatten können beispielsweise über Zuganker gegeneinander verspannt werden. The end plates can be clamped against each other, for example via tie rods.

Je nach Größe der eingeleiteten Kraft (Verspannung) und je nach der Verteilung der Verspannungskraft über den Zellstapel verformen sich die beiden Endplatten. Um eine möglichst homogene Verpressung der elektrochemischen Einheiten über deren elektrochemisch aktive Fläche zu erhalten, sollten die Kontaktflächen zwischen den elektrochemischen Einheiten und den Endplatten auch unter Verspannung möglichst eben sein. Ferner kann sich aufgrund der Variation der Dicke der einzelnen Komponenten der elektrochemischen Einheiten in der Stapelrichtung unter der Verpressung eine inhomogene Druckverteilung im Bereich der elektrochemisch aktiven Fläche ergeben, was die Leistung und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels negativ beeinflusst.Depending on the size of the introduced force (tension) and depending on the distribution of the tensioning force over the cell stack, the two end plates deform. In order to obtain as homogeneous a compression of the electrochemical units on their electrochemically active surface, the contact surfaces between the electrochemical units and the end plates should be as flat as possible even under tension. Furthermore, due to the variation of the thickness of the individual components of the electrochemical units in the stacking direction under compression, an inhomogeneous pressure distribution in the area of the electrochemically active area may result, which adversely affects the performance and the life of the fuel cell stack.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Endplattenanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung zu schaffen, welche eine möglichst homogene Verteilung des von der Endplattenanordnung auf einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten ausgeübten Drucks ermöglicht.The present invention has for its object to provide an end plate assembly for an electrochemical device, which allows a very homogeneous distribution of the pressure exerted by the Endplattenanordnung on a stack of electrochemical units pressure.

Diese Aufgabe wird bei einer Endplattenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Endplattenanordnung ein Druckkissen oder Druckverteilungselement umfasst, das ein unter Druckeinwirkung formveränderliches Druckverteilungsmaterial umfasst.This object is achieved in an end plate assembly having the features of the preamble of claim 1 according to the invention in that the end plate assembly comprises a pressure pad or pressure distribution element comprising a pressure-variable form of pressure distribution material.

Durch die bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckverteilungselements unter dem Verspannungsdruck erfolgende Anpassung der Kontaktfläche der Endplattenanordnung zu dem Stapel aus elektrochemischen Einheiten kann die Druckverteilung in der Kontaktfläche homogenisiert werden, ohne dass hierfür weitere Maßnahmen, insbesondere der Einsatz von aktiven Komponenten, erforderlich ist.By adapting the contact surface of the end plate assembly to the stack of electrochemical units when using a pressure distribution element according to the invention, the pressure distribution in the contact surface can be homogenized without the need for further measures, in particular the use of active components.

Das Druckverteilungselement mit dem unter Druckeinwirkung formveränderlichen Druckverteilungsmaterial kann durch Fließen des Druckverteilungsmaterials quer zu einer Stapelrichtung der elektrochemischen Vorrichtung fertigungsbedingte Unebenheiten der Endplatte oder des Stapels aus elektrochemischen Einheiten und/oder sich infolge der Verspannung und/oder mit fortschreitender Einsatzdauer der elektrochemischen Vorrichtung ergebende Unebenheiten der Endplatte oder des Stapels aus elektrochemischen Einheiten kompensieren.The pressure distribution member having the pressure-varying pressure-distributing material by flowing the pressure-distribution material transversely to a stacking direction of the electrochemical device may cause production-related unevenness of the end plate or stack of electrochemical units and / or unevenness of the end plate resulting from the stress and / or progress of use of the electrochemical device or the stack of electrochemical units.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Endplatte verwendet wird, die unter der Verspannung eine relativ hohe Verformung zeigt und/oder nicht mit ausreichend hoher Maßhaltigkeit gefertigt werden kann, beispielsweise im Fall einer in einem Spritzgießverfahren aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Endplatte.This is particularly advantageous when an end plate is used which exhibits a relatively high deformation under tension and / or can not be manufactured with sufficiently high dimensional accuracy, for example in the case of an end plate made of a plastic material in an injection molding process.

Die Endplatte ist vorzugsweise aus einem Werkstoff mit einem hohen E-Modul gebildet.The end plate is preferably formed of a high modulus material.

Die Endplatte kann ein metallisches Material und/oder ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, umfassen.The end plate may comprise a metallic material and / or a plastic material, in particular a fiber-reinforced plastic material.

Geeignete Kunststoffmaterialien sind beispielsweise Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA) oder Polybutylenterephthalat (PBT).Suitable plastic materials are, for example, polyamide (PA), polyphenylene sulfide (PPS), polyphthalamide (PPA) or polybutylene terephthalate (PBT).

Eine Endplatte aus einem Kunststoffmaterial wird wegen des vergleichsweise geringen E-Moduls vorzugsweise mit großer Dicke und/oder mit einer Verrippung ausgeführt. Durch eine Verrippung kann das Gewicht der Endplatte reduziert werden.An end plate made of a plastic material is preferably made with a large thickness and / or with a ribbing because of the comparatively low modulus of elasticity. By ribbing the weight of the end plate can be reduced.

Durch Verwendung einer steifen Endplatte wird die Verformung der Endplatte unter der durch die Verspannung hervorgerufenen Biegebelastung reduziert.By using a rigid end plate, the deformation of the end plate is reduced below the bending stress caused by the stress.

Durch die Verwendung einer Endplatte mit einer Rippenstruktur kann die erforderliche Steifigkeit der Endplatte mit einem geringeren Gewicht als bei einer massiven Endplatte erreicht werden. By using an endplate with a ribbed structure, the required stiffness of the endplate can be achieved with a lower weight than a solid endplate.

Die Endplatten sind vorzugsweise über Zugelemente miteinander verspannt, wobei eine lokale Krafteinleitung über die Zugelemente erfolgt. Aufgabe der Zugelemente ist es, eine konstante, von den Betriebsparametern und den Umgebungsbedingungen weitgehend unabhängige Vorspannung zu gewährleisten. The end plates are preferably clamped together by means of tension elements, whereby a local introduction of force takes place via the tension elements. The task of the tension elements is to ensure a constant, largely independent of the operating parameters and the ambient conditions bias.

Die Krafteinleitung kann beispielsweise mittels Zugankern in der Endplatte erfolgen, vorzugsweise in Verbindung mit einem dem Zuganker unterlegten Federelement, beispielsweise einer Tellerfeder.The force can be introduced, for example, by means of tie rods in the end plate, preferably in conjunction with a tension element underlying the spring element, such as a plate spring.

Anstelle von festen Zugankern können auch Spannbänder verwendet werden, die um die elektrochemische Vorrichtung gespannt werden. Instead of fixed tie rods and tension straps can be used, which are stretched around the electrochemical device.

Elastische Zuganker bzw. Bänder können die Funktion des Federelements übernehmen.Elastic tie rods or bands can take over the function of the spring element.

Das Prinzip der Verspannung kann im Hinblick auf den Materialeinsatz durch ein Verspannungskonzept mit einer rein auf Druck belasteten Endplatte, die durch ein Zugelement stabilisiert wird, optimiert werden, wie dies beispielsweise in der US 7,776,488 B2 offenbart ist.The principle of the bracing can be optimized with regard to the use of materials by a bracing concept with a purely pressure-loaded end plate, which is stabilized by a tension element, as for example in the US 7,776,488 B2 is disclosed.

Im Hinblick auf die durch eine Biegebelastung verursachte Verformung der Endplatte ist es von Vorteil, wenn die Krafteinleitung ganz oder teilweise in der Mitte der Endplatte erfolgt.With regard to the deformation of the end plate caused by a bending load, it is advantageous if the introduction of force takes place wholly or partly in the middle of the end plate.

Das formveränderliche Druckverteilungsmaterial des Druckverteilungselements kann ein Fluid, insbesondere ein Gas oder Gasgemisch und/oder eine Flüssigkeit, insbesondere eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein Öl, umfassen.The dimensionally variable pressure distribution material of the pressure distribution element may comprise a fluid, in particular a gas or gas mixture and / or a liquid, in particular a substantially incompressible liquid, for example water or an oil.

Das formveränderliche Druckverteilungsmaterial des Druckverteilungselements ist vorzugsweise ein solches Material, das aufgrund seiner viskosen und/oder elastischen Eigenschaften dazu geeignet ist, Druckbelastungen homogen über eine Druckübertragungsfläche des Druckverteilungselements zu verteilen. The shape-changing pressure distribution material of the pressure distribution element is preferably such a material, which is suitable due to its viscous and / or elastic properties to distribute pressure loads homogeneously over a pressure transmission surface of the pressure distribution element.

Besonders günstig ist es, wenn das Druckverteilungsmaterial eine solche Kohärenz und/oder eine solche Fließfähigkeit aufweist, dass es auch dann nicht aus einem Aufnahmeraum für das Druckverteilungselement in der Endplattenanordnung entweicht, wenn im Randbereich des Aufnahmeraums ein Spalt mit einem Spaltmaß angeordnet ist, und zwar auch dann, wenn das Druckverteilungsmaterial mit Drücken beaufschlagt wird, wie sie für die Verspannung eines Stapels aus elektrochemischen Einheiten erforderlich sind. It is particularly favorable if the pressure distribution material has such a coherence and / or a flowability that it does not escape from a receiving space for the pressure distribution element in the end plate arrangement even if a gap with a gap dimension is arranged in the edge area of the receiving space even if the pressure distribution material is subjected to pressures, as required for the bracing of a stack of electrochemical units.

Vorteilhafterweise wird ein Druckverteilungsmaterial verwendet, das bei einem Verspannungsdruck von 300 bar nicht durch einen Spalt mit einem Spaltmaß von 1/1000 mm entweicht. Advantageously, a pressure distribution material is used, which does not escape at a clamping pressure of 300 bar through a gap with a gap of 1/1000 mm.

Besonders günstig ist es, wenn ein Druckverteilungsmaterial verwendet wird, das bei einem Verspannungsdruck von 300 bar nicht durch einen Spalt mit einem Spaltmaß von 1/100 mm entweicht. It is particularly favorable if a pressure distribution material is used which does not escape through a gap with a gap of 1/100 mm at a clamping pressure of 300 bar.

Druckverteilungsmaterialien, welche bei solchen Verspannungsdrücken und solchen Spaltmaßen nicht aus dem Aufnahmeraum der Endplattenanordnung entweichen, können beispielsweise ein hochviskoses Fluid, ein untervernetztes Polymer und/oder ein im Grenzbereich zwischen Gel und Elastomer angesiedeltes Material, das sich durch viskoelastische Eigenschaften auszeichnet, sein. Pressure distribution materials which do not escape from the receiving space of the end plate assembly at such strain pressures and gaps can be, for example, a highly viscous fluid, an undercrosslinked polymer and / or a gel-elastomeric material characterized by viscoelastic properties.

Als Druckverteilungsmaterial besonders geeignet sind beispielsweise sehr hoch viskose Fluide mit einer dynamischen Viskosität von mindestens ungefähr 104 mPa∙s.Particularly suitable as a pressure distribution material, for example, very highly viscous fluids having a dynamic viscosity of at least about 10 4 mPa ∙ s.

Der Verspannungsdruck beträgt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise höchstens ungefähr 300 bar, vorzugsweise höchstens ungefähr 50 bar, und ferner vorzugsweise mindestens ungefähr 2 bar, insbesondere mindestens ungefähr 5 bar. The strain pressure during operation of the electrochemical device is preferably at most about 300 bar, preferably at most about 50 bar, and further preferably at least about 2 bar, in particular at least about 5 bar.

Ferner ist als Druckverteilungsmaterial auch ein Schüttgut-Material, beispielsweise ein Pulver, insbesondere ein Pulver aus Bornitrid (BN), geeignet.Further, as a pressure distribution material and a bulk material, such as a powder, in particular a powder of boron nitride (BN), suitable.

Ferner ist als Druckverteilungsmaterial ein Gel-Material geeignet, das eine dy namische Viskosität von weniger als 1011 mPa∙s aufweist und sich somit von klassischen Elastomerwerkstoffen, insbesondere Gummi, unterscheidet.Further, as the pressure distribution material, a gel material is suitable, which has a dy namic viscosity of less than 10 11 mPa ∙ s and thus differs from classic elastomer materials, in particular rubber.

Beispielsweise kann das Druckverteilungsmaterial ein nicht vollständig oder untervernetztes Polymer, insbesondere ein untervernetztes Polyurethan-Elastomer (PUR-Elastomer), umfassen. Ein geeignetes PUR-Elastomer wird beispielsweise unter der Bezeichnung "Technogel" von der Technogel Germany GmbH, Zum Eichberg 1, 37339 Berlingerode, Deutschland, vertrieben.For example, the pressure distribution material may comprise a polymer which is not completely or partially crosslinked, in particular an undercrosslinked polyurethane elastomer (PUR elastomer). A suitable PUR elastomer is sold, for example, under the name "Technogel" by Technogel Germany GmbH, Zum Eichberg 1, 37339 Berlingerode, Germany.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Druckverteilungsmaterial ein Gelmaterial, beispielsweise ein Si-Gel, umfasst.Alternatively or additionally, it can be provided that the pressure distribution material comprises a gel material, for example a Si gel.

Um zu verhindern, dass das Druckverteilungsmaterial aus der Endplattenanordnung entweicht, ist es von Vorteil, wenn das Druckverteilungselement eine Umhüllung umfasst, welche das Druckverteilungsmaterial in einem Innenraum des Druckverteilungselements zumindest teilweise von einem Außenraum des Druckverteilungselements trennt.In order to prevent the pressure distribution material from escaping from the end plate assembly, it is advantageous if the pressure distribution element comprises an enclosure which at least partially separates the pressure distribution material in an interior of the pressure distribution element from an outer space of the pressure distribution element.

Besonders günstig ist es, wenn das Druckverteilungselement eine Umhüllung umfasst, welche das Druckverteilungsmaterial vollständig einschließt.It is particularly favorable if the pressure distribution element comprises an enclosure which completely encloses the pressure distribution material.

Vorzugsweise ist der Innenraum der Umhüllung im Wesentlichen vollständig mit dem Druckverteilungsmaterial, insbesondere im Wesentlichen vollständig mit einem im Wesentlichen inkompressiblen Druckverteilungsmaterial, gefüllt.Preferably, the interior of the enclosure is substantially completely filled with the pressure distribution material, in particular substantially completely with a substantially incompressible pressure distribution material.

Bei einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Umhüllung vollständig separat von der Endplatte ausgebildet ist und vorzugsweise von der Endplatte abnehmbar ist.In a particular embodiment, it is provided that the envelope completely separate from the end plate is formed and is preferably removable from the end plate.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Umhüllung durch Fügung mit der Endplatte verbunden und/oder durch die Endplatte selbst gebildet ist.Alternatively, it can be provided that at least a part of the enclosure is connected by joining with the end plate and / or formed by the end plate itself.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Endplatte eine Ausnehmung aufweist, welche das formveränderliche Druckverteilungsmaterial des Druckverteilungselements zumindest teilweise aufnimmt, so dass die Endplatte selbst einen Teil der Umhüllung des Druckverteilungselements bildet und ein weiterer Teil der Umhüllung durch eine Abdeckung gebildet ist, welche die Ausnehmung in der Endplatte abdeckt, so dass das Druckverteilungsmaterial nicht aus der Ausnehmung entweichen kann.For example, it can be provided that the end plate has a recess which at least partially accommodates the shape-changing pressure distribution material of the pressure distribution element, so that the end plate itself forms part of the envelope of the pressure distribution element and a further part of the envelope is formed by a cover which surrounds the recess in FIG covers the end plate, so that the pressure distribution material can not escape from the recess.

Die Ausnehmung der Endplatte kann zu dem Zellenstapel hin oder zu der dem Zellenstapel abgewandten Seite der Endplatte hin geöffnet sein.The recess of the end plate may be open toward the cell stack or towards the side of the end plate facing away from the cell stack.

Eine solche Abdeckung kann beispielsweise eine, vorzugsweise vergleichsweise dünne, Kunststoffplatte oder Kunststoffmembran umfassen.Such a cover may comprise, for example, a, preferably comparatively thin, plastic plate or plastic membrane.

Die Abdeckung kann mittels einer üblichen Fügetechnik, beispielsweise mittels Kleben, Reibschweißen oder Heißgasschweißen, mit der Endplatte verbunden werden.The cover can be connected by means of a conventional joining technique, for example by gluing, friction welding or hot gas welding, with the end plate.

Ergänzend oder alternativ hierzu kann direkt in der Endplatte ein Hohlraum ausgeformt werden, beispielsweise im Gasinnendruckverfahren oder in Gasinjektionstechnik, der dann mit dem formveränderlichen Druckverteilungsmaterial befüllt wird.Additionally or alternatively, a cavity can be formed directly in the end plate, for example in the gas internal pressure process or in gas injection technique, which is then filled with the shape-changing pressure distribution material.

Die Umhüllung kann ein Kunststoffmaterial und/oder ein metallisches Material umfassen.The enclosure may comprise a plastic material and / or a metallic material.

Vorzugsweise ist die Wand der Umhüllung, die zum Zellstapel hin gerichtet ist, derart geformt (insbesondere hinsichtlich ihres Dickenverlaufs), dass sie nur eine sehr geringe Steifigkeit und nur einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die Verformung des Druckverteilungsmaterials und auf die Druckverteilung hat.Preferably, the wall of the wrapper facing the cell stack is shaped (particularly with respect to its thickness profile) such that it has only a very low stiffness and little or no effect on the deformation of the pressure distribution material and on the pressure distribution.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Umhüllung ein Stromabnehmerelement der Endplattenanordnung bildet.In a particular embodiment of the invention, it is provided that at least part of the enclosure forms a current collector element of the end plate arrangement.

Ein solches Stromabnehmerelement dient dazu, Strom von einer der Endplattenanordnung benachbarten randständigen elektrochemischen Einheit des Stapels aus elektrochemischen Einheiten zu einem Stromanschluss der elektrochemischen Vorrichtung abzuleiten.Such a pantograph element serves to dissipate current from a peripheral electrochemical unit of the stack of electrochemical units adjacent to the end plate arrangement to a current connection of the electrochemical device.

Wenn die Endplatte und/oder das Druckverteilungselement eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, kann auf ein separates Stromabnehmerelement, zusätzlich zu der Endplatte und dem Druckverteilungselement, verzichtet werden.If the end plate and / or the pressure distribution element has sufficient electrical conductivity, a separate current collector element, in addition to the end plate and the pressure distribution element, can be dispensed with.

Vorzugsweise reicht hierbei das Druckverteilungselement seitlich über die aktive Fläche des Stapels aus elektrochemischen Einheiten oder über eine Projektion der aktiven Fläche des Stapels aus elektrochemischen Einheiten längs dessen Stapelrichtung hinaus.Preferably, the pressure distribution element extends laterally beyond the active area of the stack of electrochemical units or via a projection of the active area of the stack of electrochemical units along its stacking direction.

Wenn ein Teil der Umhüllung eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, so kann die Funktion des Stromabnehmerelements mit der Funktion der Einhüllung für das Druckverteilungsmaterial verbunden werden.When a portion of the enclosure has electrical conductivity, the function of the pantograph element may be linked to the function of the envelope for the pressure distribution material.

Das Druckverteilungsmaterial kann insbesondere in eine Umhüllung aus Metallfolien eingebettet werden, wobei dann die den elektrochemischen Einheiten zugewandte Metallfolie die Aufgabe des Stromabnehmerelements übernimmt.In particular, the pressure distribution material can be embedded in a coating of metal foils, in which case the metal foil facing the electrochemical units assumes the task of the current collector element.

In das Stromabnehmerelement der Endplattenanordnung kann auch eine Kanalstruktur zum Führen eines Kühlmittelstroms (sogenanntes Kühlmittel-"Flowfield") und/oder eine Kanalstruktur zum Führen eines Gasstroms (sogenanntes Gas-"Flowfield"), insbesondere eines Brenngastroms oder eines Oxidationsmittelstroms der elektrochemischen Vorrichtung, eingebracht werden.A channel structure for guiding a coolant flow (so-called coolant flow field) and / or a channel structure for guiding a gas flow (so-called gas flow field), in particular a fuel gas stream or an oxidant stream of the electrochemical device, may also be introduced into the current collector element of the end plate arrangement become.

Eine solche Kanalstruktur kann an dem Stromabnehmerelement durch spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, erzeugt werden.Such a channel structure can be produced on the current collector element by machining, for example by milling.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine solche Kanalstruktur, insbesondere bei Verwendung eines Metallbandes als Stromabnehmerelement, durch einen Abtrennvorgang, insbesondere einen Stanzvorgang, und/oder durch einen Umformvorgang, insbesondere einen Prägevorgang, erzeugt werden.Alternatively or additionally, such a channel structure, in particular when using a metal strip as a current collector element, by a separation process, in particular a punching process, and / or by a forming process, in particular an embossing process can be generated.

Das Stromabnehmerelement kann unter Verwendung einer üblichen Fügetechnik mit einem Bestandteil einer benachbarten elektrochemischen Einheit, insbesondere mit einer Bipolarplatte oder einem Interkonnektor, gefügt werden.The current collector element can be joined using a conventional joining technique with a component of an adjacent electrochemical unit, in particular with a bipolar plate or an interconnector.

Eine besonders homogene Druckverteilung an der Kontaktfläche zwischen der Endplattenanordnung und den elektrochemischen Einheiten wird erzielt, wenn die Endplattenanordnung ein Stromabnehmerelement umfasst, das schwimmend an dem Druckverteilungselement gelagert ist.A particularly homogeneous pressure distribution at the contact surface between the end plate assembly and the electrochemical units is achieved when the end plate assembly comprises a current collector element which is floatingly mounted on the pressure distribution element.

In diesem Fall wird das Druckverteilungselement in ein Volumen eingelegt, das zwischen der Endplatte und dem schwimmend gelagerten Stromabnehmerelement verbleibt. In this case, the pressure distribution element is placed in a volume which remains between the end plate and the floating bearing pantograph element.

Hierbei ist es günstig, wenn im Randbereich des Stromabnehmerelements und/oder im Randbereich der Endplatte und/oder im Bereich eines Rands eines Durchbruchs im Stromabnehmerelement und/oder im Bereich eines Rands eines Durchbruchs, insbesondere einer Mediendurchtrittsöffnung, in der Endplatte ein Dichtelement vorgesehen ist, welches ein Entweichen des Druckverteilungselements aus der Endplattenanordnung verhindert.In this case, it is favorable if a sealing element is provided in the end plate in the edge region of the current collector element and / or in the edge region of the end plate and / or in the region of an edge of an opening in the current collector element and / or in the region of an edge of an opening, in particular a medium passage, which prevents escape of the pressure distribution element from the Endplattenanordnung.

Ein solches Dichtelement kann als Abdichtung und/oder Stütze für das Druckverteilungselement dienen.Such a sealing element can serve as a seal and / or support for the pressure distribution element.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Endplattenanordnung ein Rahmenelement umfasst, welches eine seitliche Berandung des Druckverteilungselements und/oder eine seitliche Berandung eines Stromabnehmerelements der Endplattenanordnung und/oder eine Auflage für ein Stromabnehmerelement der Endplattenanordnung bildet.Alternatively or additionally, it may be provided that the end plate assembly comprises a frame member which forms a lateral boundary of the pressure distribution element and / or a lateral boundary of a current collector of the Endplattenanordnung and / or a support for a current collector element of Endplattenanordnung.

Ferner kann vorgesehen sein, dass durch eine Umformung eines Stromabnehmerelements der Endplattenanordnung ausreichend kleine Spaltmaße im Anschluss an die Endplatte realisiert werden, so dass hierdurch ein Entweichen des Druckverteilungselements aus der Endplattenanordnung vermieden wird.Furthermore, it can be provided that by forming a current collector element of the end plate arrangement sufficiently small gap dimensions are realized following the end plate, thereby avoiding escape of the pressure distribution element from the end plate arrangement.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Endplattenanordnung eine Aufnahmetasche zum zumindest teilweisen Aufnehmen des Druckverteilungselements umfasst.Furthermore, it can be provided that the end plate arrangement comprises a receiving pocket for at least partially receiving the pressure distribution element.

Eine solche Aufnahmetasche kann beispielsweise als eine Ausnehmung in der Endplatte ausgebildet sein.Such a receiving pocket may for example be formed as a recess in the end plate.

Günstig ist es, wenn die Aufnahmetasche, insbesondere in Form einer Ausnehmung in der Endplatte, seitlich über die aktive Fläche des Stapels aus elektrochemischen Einheiten oder über eine Projektion der aktiven Fläche des Stapels aus elektrochemischen Einheiten längs dessen Stapelrichtung hinausreicht.It is advantageous if the receiving pocket, in particular in the form of a recess in the end plate, extends laterally beyond the active area of the stack of electrochemical units or over a projection of the active area of the stack of electrochemical units along its stacking direction.

Vorzugsweise ist dabei das Volumen der Aufnahmetasche so auf das Volumen des Druckverteilungselements abgestimmt, dass die Aufnahmetasche im Wesentlichen vollständig mit dem Druckverteilungselement gefüllt ist.Preferably, the volume of the receiving pocket is adjusted to the volume of the pressure distribution element such that the receiving pocket is substantially completely filled with the pressure distribution element.

Um dies zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass die Endplattenanordnung mindestens ein Volumenanpasselement umfasst, das in der Aufnahmetasche angeordnet ist, um das für die Aufnahme des Druckverteilungselements zur Verfügung stehende freie Volumen der Aufnahmetasche an das Volumen des Druckverteilungselements anzupassen.To achieve this, it can be provided that the end plate arrangement comprises at least one volume adjustment element which is arranged in the receiving pocket in order to adapt the free volume of the receiving pocket available for receiving the pressure distribution element to the volume of the pressure distribution element.

Ein solches Volumenanpasselement kann, insbesondere lösbar, in der Aufnahmetasche festgelegt sein, beispielsweise durch Einschrauben und/oder durch Einschieben und/oder durch Verrastung.Such a volume adjusting element can, in particular releasably, be fixed in the receiving pocket, for example by screwing in and / or by insertion and / or by latching.

Besonders günstig ist es, wenn die Umhüllung im Wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material gebildet ist.It is particularly favorable if the envelope is substantially completely formed from a metallic material.

Wenn das Druckverteilungselement eine Umhüllung für das Druckverteilungsmaterial aufweist, die eine ausreichende Stabilität aufweist, um dem zur Kompression des Stapels aus elektrochemischen Einheiten erforderlichen Druck standzuhalten, ist die Ausformung einer Aufnahmetasche nicht erforderlich, und das Druckverteilungselement kann in einen Zwischenraum zwischen der Endplatte und einem Stromabnehmerelement der elektrochemischen Vorrichtung eingelegt werden und die aufgebrachte Spannkraft gleichmäßig verteilen.If the pressure distribution element has a sheath for the pressure distribution material that has sufficient stability to withstand the pressure required to compress the electrochemical unit stack, the formation of a receiving pocket is not required and the pressure distribution element may be in a gap between the end plate and a current collector element the electrochemical device are loaded and distribute the applied clamping force evenly.

Hierbei kann das Druckverteilungselement die gesamte Fläche einer elektrochemischen Einheit oder nur eine Teilfläche davon, wie beispielsweise den elektrochemisch aktiven Zellbereich, abdecken.In this case, the pressure distribution element can cover the entire area of an electrochemical unit or only a partial area thereof, such as the electrochemically active cell area.

Die erfindungsgemäße Endplattenanordnung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere, in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten und mindestens eine erfindungsgemäße Endplattenanordnung umfasst, oder zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, die mindestens eine Zwischenplatte (sogenannte BUS-Platte) umfasst, wobei an mindestens einer Zwischenplatte mindestens ein Druckverteilungselement angeordnet sein kann.The endplate assembly according to the invention is particularly suitable for use in an electrochemical device comprising a plurality of electrochemical units following each other in a stacking direction and at least one endplate assembly according to the invention, or for use in an electrochemical device comprising at least one intermediate plate (so-called BUS plate) At least one pressure distribution element can be arranged on at least one intermediate plate.

Besonders günstig ist es, wenn die elektrochemische Vorrichtung zwei erfindungsgemäße Endplattenanordnungen und einen zwischen den Endplattenanordnungen angeordneten Stapel aus elektrochemischen Einheitenumfasst.It is particularly advantageous if the electrochemical device comprises two end plate arrangements according to the invention and a stack of electrochemical units arranged between the end plate arrangements.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere, in einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten und mindestens eine Endplattenanordnung umfasst, zu schaffen, welches eine möglichst homogene Verteilung des von der Endplattenanordnung auf den Stapel aus elektrochemischen Einheiten ausgeübten Drucks ermöglicht.The present invention has the further object of providing a method for producing an electrochemical device, which comprises a plurality of successive in a stacking direction electrochemical units and at least one Endplattenanordnung to create, which is as homogeneous as possible distribution of the End plate assembly on the stack of electrochemical units pressure exerted.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, welches Folgendes umfasst:

  • – Aufeinanderstapeln mehrerer elektrochemischer Einheiten und mindestens einer Endplattenanordnung, welche ein Druckverteilungselement umfasst, das ein unter Druckeinwirkung formveränderliches Druckverteilungsmaterial umfasst;
  • – Beaufschlagen des Stapels mit den elektrochemischen Einheiten und der Endplattenanordnung mit einer Vorspannkraft;
  • – Messen eines durch die Vorspannkraft erzeugten, auf das Druckverteilungsmaterial einwirkenden Druckes.
This object is achieved according to the invention by a method which comprises:
  • Stacking a plurality of electrochemical units and at least one end plate assembly comprising a pressure distribution element comprising a pressure-variable pressure-variable pressure material;
  • - Applying to the stack with the electrochemical units and the Endplattenanordnung with a biasing force;
  • - Measuring a generated by the biasing force, acting on the pressure distribution material pressure.

Der so gemessene Druck kann zur Einstellung der Vorspannkraft und deren betrieblicher Kontrolle verwendet werden. The pressure thus measured can be used to adjust the preload force and its operational control.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 eine schematische Vorderansicht einer elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, mit zwei Endplatten und einer Spannvorrichtung, welche Zugstangen und elastische Federelemente zum Erzeugen einer auf die Endplatten einwirkenden Spannkraft umfasst; 1 a schematic front view of an electrochemical device, in particular a fuel cell stack, with two end plates and a tensioning device, which comprises tie rods and elastic spring elements for generating a force acting on the end plates clamping force;

2 einen schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine Endplattenanordnung der elektrochemischen Vorrichtung, welche eine Endplatte, ein Stromabnehmerelement und ein Druckverteilungselement mit einem unter Druckeinwirkung formveränderlichen Druckverteilungsmaterial umfasst; 2 a schematic fragmentary sectional view through an end plate assembly of the electrochemical device, which comprises an end plate, a current collector element and a pressure distribution element with a pressure-variable form of pressure distribution material;

3 einen der 2 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Endplattenanordnung, bei welcher das Stromabnehmerelement schwimmend an dem Druckverteilungselement und an einem Dichtelement gelagert ist; 3 one of the 2 corresponding schematic fragmentary cross-section through a second embodiment of an end plate assembly in which the current collector element is floatingly mounted on the pressure distribution element and on a sealing element;

4 einen den 2 und 3 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Endplattenanordnung, welche ein Rahmenelement umfasst, das eine seitliche Berandung des Druckverteilungselements und des Stromabnehmerelements sowie eine Auflage für das Stromabnehmerelement bildet; 4 a the 2 and 3 corresponding schematic fragmentary cross-section through a third embodiment of an end plate assembly comprising a frame member which forms a lateral boundary of the pressure distribution element and the current collector element and a support for the current collector element;

5 einen den 2 bis 4 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer Endplattenanordnung, bei welcher ein Teil einer Umhüllung des Druckverteilungselements das Stromabnehmerelement der Endplattenanordnung bildet; 5 a the 2 to 4 corresponding schematic fragmentary cross-sectional view of a fourth embodiment of an end plate assembly in which a part of a sheath of the pressure distribution element forms the current collector element of the Endplattenanordnung;

6 einen den 2 bis 5 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer Endplattenanordnung, bei welcher das Druckverteilungselement eine Umhüllung aufweist, welche mechanisch so stabil ist, dass auf eine seitliche Berandung des Druckverteilungselements verzichtet werden kann; und 6 a the 2 to 5 corresponding schematic fragmentary cross-section through a fifth embodiment of an end plate assembly in which the pressure distribution element has a sheath which is mechanically stable so that can be dispensed with a lateral boundary of the pressure distribution element; and

7 einen den 2 bis 6 entsprechenden schematischen ausschnittsweisen Querschnitt durch eine sechste Ausführungsform einer Endplattenanordnung, bei welcher das Druckverteilungsmaterial des Druckverteilungselements so kohärent ist, dass das Druckverteilungselement keine Umhüllung aufweisen muss. 7 a the 2 to 6 corresponding schematic fragmentary cross-sectional view of a sixth embodiment of an end plate assembly in which the pressure distribution material of the pressure distribution element is so coherent that the pressure distribution element need not have a sheath.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference numerals in all figures.

Eine in den 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 101 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung, beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel 100, umfasst eine Vielzahl von planaren elektrochemischen Einheiten 103, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten 102, die längs einer Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelt sind.One in the 1 and 2 shown as a whole with 101 referred to electrochemical device, such as a fuel cell stack 100 , comprises a plurality of planar electrochemical units 103 , For example, fuel cell units 102 along a stacking direction 104 stacked on each other.

Die elektrochemische Vorrichtung 101 kann grundsätzlich auch als Elektrolyseur ausgebildet sein, wird nachstehend aber beispielhaft anhand der Ausbildung als Brennstoffzellenstapel 100 beschrieben.The electrochemical device 101 In principle, it can also be designed as an electrolyzer, but will be described below by way of example on the basis of the design as a fuel cell stack 100 described.

Jede der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfasst ein (nicht im Detail dargestelltes) Gehäuse, das beispielsweise aus einem als Gehäuseoberteil ausgebildeten ersten Blechformteil und einem als Gehäuseunterteil ausgebildeten zweiten Blechformteil zusammengesetzt sein kann, wie dies beispielsweise in der DE 100 44 703 A1 dargestellt und beschrieben ist.Each of the fuel cell units 102 comprises a (not shown in detail) housing, which may for example be composed of a housing upper part formed as the first sheet metal part and a housing lower part formed as a second sheet metal part, such as in the DE 100 44 703 A1 is shown and described.

Jede der Brennstoffzelleneinheiten 102 ist mit Durchtrittsöffnungen für Brenngas und mit Durchtrittsöffnungen für ein Oxidationsmittel versehen, wobei die Durchtrittsöffnungen längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 102 so miteinander fluchten, dass den Brennstoffzellenstapel 100 durchsetzende Zuführkanäle für Brenngas und für Oxidationsmittel sowie Abführkanäle für überschüssiges Brenngas und überschüssiges Oxidationsmittel ausgebildet sind.Each of the fuel cell units 102 is provided with passage openings for fuel gas and with passage openings for an oxidizing agent, wherein the passage openings along the stacking direction 104 successive fuel cell units 102 so aligned with each other that the fuel cell stack 100 passing through feed channels for fuel gas and oxidizing agents and discharge channels for excess fuel gas and excess oxidant are formed.

An dem Gehäuse jeder Brennstoffzelleneinheit 102 ist ein Substrat mit einer daran angeordneten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) gehalten, wobei in der KEA-Einheit die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion abläuft. On the housing of each fuel cell unit 102 a substrate is held with a cathode-electrolyte-anode unit (KEA unit) arranged thereon, wherein the electrochemical fuel cell reaction takes place in the KEA unit.

Die KEA-Einheiten einander benachbarter Brennstoffzelleneinheiten 102 sind über elektrisch leitende Kontaktelemente miteinander verbunden.The KEA units of adjacent fuel cell units 102 are connected to each other via electrically conductive contact elements.

Die Gehäuse aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 102 sind mittels elektrisch isolierender, gasdichter Dichtungselemente miteinander verbunden.The housings of successive fuel cell units 102 are interconnected by means of electrically insulating, gas-tight sealing elements.

Eine untere Begrenzung des Brennstoffzellenstapels 100 bildet eine untere Endplatte 106.A lower limit of the fuel cell stack 100 forms a lower end plate 106 ,

Eine obere Begrenzung des Brennstoffzellenstapels bildet eine obere Endplatte 108.An upper limit of the fuel cell stack forms an upper end plate 108 ,

Die Endplatten 106, 108 weisen einen größeren horizontalen Querschnitt auf als die Brennstoffzelleneinheiten 102 und stehen seitlich über die aufeinandergestapelten Brennstoffzelleneinheiten 102 über.The end plates 106 . 108 have a larger horizontal cross-section than the fuel cell units 102 and are laterally over the stacked fuel cell units 102 above.

Die Endplatten 106, 108 sind vorzugsweise aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheiten 102 chemisch und mechanisch beständigen metallischen Material oder Kunststoffmaterial, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA) oder Polybutylenterephthalat (PBT), gebildet und können mit den die Brennstoffzelleneinheiten 102 durchsetzenden Zuführkanälen und Abführkanälen für Brenngas und Oxidationsmittel in Verbindung stehende Gasdurchtrittskanäle aufweisen.The end plates 106 . 108 are preferably one at the operating temperature of the fuel cell units 102 chemically and mechanically resistant metallic material or plastic material, in particular a fiber-reinforced plastic material, for example polyamide (PA), polyphenylene sulfide (PPS), polyphthalamide (PPA) or polybutylene terephthalate (PBT), formed and can with the fuel cell units 102 Having passing feed channels and discharge channels for fuel gas and oxidant in communication standing gas passageways.

Um im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 die erforderlichen Dichtkräfte auf die Dichtungselemente der Brennstoffzelleneinheiten 102 und die erforderlichen Kontaktkräfte auf die Kontaktelemente der Brennstoffzelleneinheiten 102 aufbringen zu können, umfasst der Brennstoffzellenstapel 100 ferner eine Spannvorrichtung 110, mittels welcher die Endplatten 106, 108 und damit die dazwischen angeordneten Brennstoffzelleneinheiten 102 gegeneinander verspannt werden.To operate the fuel cell stack 100 the required sealing forces on the sealing elements of the fuel cell units 102 and the required contact forces on the contact elements of the fuel cell units 102 to be able to apply comprises the fuel cell stack 100 Furthermore, a clamping device 110 , by means of which the end plates 106 . 108 and thus the fuel cell units arranged therebetween 102 be braced against each other.

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 umfasst diese Spannvorrichtung 110 beispielhaft mehrere, beispielsweise vier, Zuganker oder Zugelemente 112, welche beispielsweise in den vier Eckbereichen der Endplatten 106 und 108 angeordnet sind und von denen in 1 nur die beiden vorderen, dem Betrachter zugewandten Zugelemente 112 sichtbar sind.At the in 1 illustrated embodiment of a fuel cell stack 100 includes this clamping device 110 by way of example a plurality, for example four, tie rods or tension elements 112 which, for example, in the four corners of the end plates 106 and 108 are arranged and of which in 1 only the two front, facing the viewer tension elements 112 are visible.

Jedes Zugelement 112 umfasst eine mit einem Außengewinde versehene Zugstange 114, welche jeweils eine Durchtrittsbohrung 116 in der unteren Endplatte 106 bzw. in der oberen Endplatte 108 durchsetzt und an ihrem unteren Endbereich, unterhalb der Durchtrittsbohrung 116 in der unteren Endplatte 106, eine erste Mutter 118 und an ihrem oberen Endbereich, oberhalb der Durchtrittsbohrung 116 in der oberen Endplatte 108, eine zweite Mutter 120 trägt.Each tension element 112 includes an externally threaded drawbar 114 , which each have a passage bore 116 in the lower end plate 106 or in the upper end plate 108 interspersed and at its lower end, below the passage bore 116 in the lower end plate 106 , a first mother 118 and at its upper end portion, above the passage bore 116 in the upper end plate 108 , a second mother 120 wearing.

Zwischen mindestens einer dieser Muttern, beispielsweise der zweiten Mutter 120, und der jeweils benachbarten Endplatte, beispielsweise der oberen Endplatte 108, ist ein Federelement 122, beispielsweise in Form einer Druckfeder 124, vorgesehen, welches die Zugstange 114 umgibt und sich einerseits an der Endplatte 108 und andererseits an der Mutter 120 abstützt, so dass die Mutter 120 durch die elastische Rückstellkraft des Federelements 122 längs der Stapelrichtung 104 in der Richtung von der benachbarten Endplatte 108 weg vorgespannt wird.Between at least one of these nuts, for example the second nut 120 , and the adjacent end plate, for example, the upper end plate 108 , is a spring element 122 , For example in the form of a compression spring 124 , provided, which the drawbar 114 surrounds and on the one hand on the end plate 108 and then on the mother 120 supports, so the mother 120 by the elastic restoring force of the spring element 122 along the stacking direction 104 in the direction of the adjacent end plate 108 is biased away.

Wenn der Brennstoffzellenstapel 100 seine Temperatur ändert, insbesondere auf Betriebstemperatur gebracht wird, können sich die Brennstoffzelleneinheiten 102 mit den Endplatten 106, 108 einerseits und die Zugelemente 112 andererseits aufgrund unterschiedlicher Temperaturen und/oder aufgrund unterschiedlicher mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark längs der Stapelrichtung 104 ausdehnen. Diese unterschiedlichen Längenausdehnungen werden durch die Federelemente 122 kompensiert, welche trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen eine gewünschte Spannkraft auf die jeweils benachbarte Endplatte 108 ausüben, so dass die beiden Endplatten 106, 108 des Brennstoffzellenstapels 100 zwischen den ersten Muttern 118, welche vorzugsweise an einer den Brennstoffzelleneinheiten 102 abgewandten Außenseite 126 einer der Endplatten, beispielsweise der unteren Endplatte 106, anliegen, und den zweiten Muttern 120 sowie den Federelementen 122 gegeneinander verspannt sind.When the fuel cell stack 100 changes its temperature, in particular brought to operating temperature, the fuel cell units can 102 with the end plates 106 . 108 on the one hand and the tension elements 112 on the other hand due to different temperatures and / or due to different average coefficients of thermal expansion of different strengths along the stacking direction 104 expand. These different length expansions are caused by the spring elements 122 compensates, which despite the different thermal expansions a desired clamping force on the respective adjacent end plate 108 exercise, so that the two end plates 106 . 108 of the fuel cell stack 100 between the first nuts 118 which preferably at one of the fuel cell units 102 opposite outside 126 one of the end plates, for example the lower end plate 106 , abut, and the second nuts 120 as well as the spring elements 122 are braced against each other.

Die Einleitung der Spannkraft von einer Endplatte 106, 108 in die jeweils benachbarte randständige Brennstoffzelleneinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 erfolgt bei dieser Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels 100 über ein zwischen der Endplatte 106 und der (in 2 nicht dargestellten) Brennstoffzelleneinheit 102 angeordnetes Stromabnehmerelement 128 und ein zwischen dem Stromabnehmerelement 128 und der Endplatte 106 angeordnetes Druckkissen oder Druckverteilungselement 130.The introduction of the clamping force of an end plate 106 . 108 in the respective adjacent marginal fuel cell unit 102 of the fuel cell stack 100 takes place in this embodiment of the fuel cell stack 100 about one between the end plate 106 and the (in 2 not shown) fuel cell unit 102 arranged pantograph element 128 and one between the pantograph element 128 and the end plate 106 arranged pressure pad or pressure distribution element 130 ,

Das Stromabnehmerelement 128 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der angrenzenden randständigen Brennstoffzelleneinheit 102 einerseits und einem (nicht dargestellten) Stromanschluss des Brennstoffzellenstapels 100 andererseits herzustellen.The pantograph element 128 is preferably plate-shaped and has a good electrical conductivity to an electric conductive connection between the adjacent marginal fuel cell unit 102 on the one hand and a (not shown) power connection of the fuel cell stack 100 on the other hand.

Das Stromabnehmerelement 128 kann insbesondere als eine Platte aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Stahl, Kupfer oder einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 mm, ausgebildet sein.The pantograph element 128 may in particular be formed as a plate of a metallic material, for example of a steel, copper or a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy, with a thickness of for example 0.2 mm.

Die dem Druckverteilungselement 130 abgewandte Oberfläche des Stromabnehmerelements 128 bildet eine Kontaktfläche 132, mit welcher die die Endplatte 106, das Stromabnehmerelement 128 und das Druckverteilungselement 130 umfassende Endplattenanordnung 134 mit der benachbarten randständigen Brennstoffzelleneinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 in Kontakt steht.The pressure distribution element 130 remote surface of the current collector element 128 forms a contact surface 132 with which the end plate 106 , the pantograph element 128 and the pressure distribution element 130 comprehensive endplate layout 134 with the adjacent marginal fuel cell unit 102 of the fuel cell stack 100 in contact.

Das Druckverteilungselement 130 dient dazu, Unebenheiten der Endplatte 106, die fertigungsbedingt entstehen oder sich infolge der Verspannung mittels der Spannvorrichtung 110 und/oder mit fortschreitender Einsatzdauer des Brennstoffzellenstapels 100 ergeben, zu kompensieren.The pressure distribution element 130 serves to unevenness of the end plate 106 , which arise due to production or due to the tension by means of the clamping device 110 and / or as the service life of the fuel cell stack progresses 100 to compensate.

Dies ist von besonderem Vorteil bei Verwendung von Endplatten 106, 108, die unter Verspannung eine relativ hohe Verformung zeigen oder die nicht mit ausreichend hoher Maßhaltigkeit gefertigt werden können, wie dies beispielsweise für im Spritzgießverfahren gefertigte Kunststoff-Endplatten zu erwarten ist.This is of particular advantage when using end plates 106 . 108 which exhibit a relatively high deformation under tension or which can not be manufactured with sufficiently high dimensional accuracy, as is to be expected, for example, for plastic injection-molded end plates.

Mittels des Druckverteilungselements 130 kann die Anpassung der Kontaktfläche 132 zum Stapel der Brennstoffzelleneinheiten 102 optimiert werden, ohne weitere Komponenten, insbesondere aktive Komponenten, einzusetzen.By means of the pressure distribution element 130 can customize the contact surface 132 to the stack of fuel cell units 102 be optimized without using other components, especially active components.

Das Druckverteilungselement 130 umfasst ein formveränderliches Druckverteilungsmaterial 136, welches unter der Einwirkung von lokalen Druckunterschieden seine Form so verändern kann, dass diese lokalen Druckunterschiede ausgeglichen werden.The pressure distribution element 130 comprises a shape-changing pressure distribution material 136 which, under the influence of local pressure differences, can change its shape to compensate for these local pressure differences.

Das Druckverteilungsmaterial kann insbesondere ein Fluid, vorzugsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit, und/oder ein elastisch und/oder plastisch verformbares Polymermaterial, beispielsweise ein Polyurethan-Elastomer (PUR-Elastomer), und/oder ein Gelmaterial umfassen.The pressure distribution material may in particular comprise a fluid, preferably a gas or a liquid, and / or an elastically and / or plastically deformable polymer material, for example a polyurethane elastomer (PUR elastomer), and / or a gel material.

Ein als formveränderliches Druckverteilungsmaterial 136 geeignetes Material ist beispielsweise das PUR-Elastomer, welches unter der Bezeichnung "Technogel" von der Technogel Germany GmbH, Zum Eichberg 1, 37339 Berlingerode, Deutschland, vertrieben wird.A form variable pressure distribution material 136 suitable material is, for example, the PUR elastomer, which is sold under the name "Technogel" by Technogel Germany GmbH, Zum Eichberg 1, 37339 Berlingerode, Germany.

Ferner ist auch eine teilpolymerisierte Flüssigkeit als formveränderliches Druckverteilungsmaterial geeignet.Furthermore, a partially polymerized liquid is suitable as a shape-changing pressure distribution material.

Um den Zusammenhalt des formveränderlichen Druckverteilungsmaterials 136 zu gewährleisten, umfasst das Druckverteilungselement 130 vorzugsweise eine Umhüllung 138, in welcher das formveränderliche Druckverteilungsmaterial 136 eingeschlossen ist.To the cohesion of the shape-changing pressure distribution material 136 to ensure includes the pressure distribution element 130 preferably an enclosure 138 in which the shape-changing pressure distribution material 136 is included.

Eine solche Umhüllung 138 kann grundsätzlich aus jedem Material gebildet sein, welches eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, um dem von der Endplatte 106 auf das Stromabnehmerelement 128 zu übertragenden Spanndruck standzuhalten, und eine ausreichende Dichtigkeit in Bezug auf das formveränderliche Druckverteilungsmaterial im Innenraum der Umhüllung 138 aufweist.Such a cladding 138 may in principle be formed of any material having sufficient mechanical stability to that of the end plate 106 on the pantograph element 128 to withstand transferred clamping pressure, and a sufficient tightness with respect to the shape-changing pressure distribution material in the interior of the enclosure 138 having.

Die Umhüllung 138 kann insbesondere ein metallisches Material umfassen und vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material gebildet sein.The serving 138 In particular, it may comprise a metallic material and preferably be formed substantially entirely of a metallic material.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Umhüllung 138 ein Kunststoffmaterial umfasst, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.Alternatively or additionally, it can also be provided that the envelope 138 comprises a plastic material, preferably substantially completely formed from a plastic material.

Insbesondere eine aus einem Kunststoffmaterial gebildete Umhüllung 138 kann beispielsweise durch ein Hohlblasverfahren erzeugt und anschließend mit dem Druckverteilungsmaterial 136 befüllt werden.In particular, an envelope formed from a plastic material 138 For example, it can be produced by a hollow-blowing process and then with the pressure-distribution material 136 be filled.

Wenn das Druckverteilungselement 130 als formveränderliches Druckverteilungsmaterial 136 ein Fluid enthält, so wird hierfür vorzugsweise ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid verwendet.When the pressure distribution element 130 as deformable pressure distribution material 136 contains a fluid, so it is preferably used a substantially incompressible fluid.

Um die Ausdehnung des Druckverteilungselements 130 in einer senkrecht zur Stapelrichtung 104 verlaufenden Querrichtung 140 des Brennstoffzellenstapels 100 zu begrenzen, kann vorgesehen sein, dass die Endplatte 106 mit einer Ausnehmung 142 versehen ist, welche eine Aufnahmetasche 144 zum zumindest teilweisen Aufnehmen des Druckverteilungselements 130 bildet.To the extent of the pressure distribution element 130 in a direction perpendicular to the stacking direction 104 extending transverse direction 140 of the fuel cell stack 100 To limit, it may be provided that the end plate 106 with a recess 142 which is a receiving pocket 144 for at least partially receiving the pressure distribution element 130 forms.

Eine solche Aufnahmetasche 144 ist in der Stapelrichtung 104 durch eine Basisfläche 146 begrenzt, an welcher sich das Druckverteilungselement 130 im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 100 abstützt, und in mindestens einer Querrichtung 140 durch mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche 148 begrenzt, welche die seitliche Ausdehnung des Druckverteilungselements 130 in der Querrichtung 140 begrenzt.Such a receiving bag 144 is in the stacking direction 104 through a base area 146 limited, at which the pressure distribution element 130 in the assembled state of the fuel cell stack 100 supported, and in at least one transverse direction 140 by at least one lateral boundary surface 148 which limits the lateral extent of the pressure distribution element 130 in the transverse direction 140 limited.

Im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 100 liegt das Druckverteilungselement 130, vorzugsweise flächig, an der Basisfläche 146 der Aufnahmetasche 144 und an mindestens einer seitlichen Begrenzungsfläche 148 der Aufnahmetasche 144 an.In the assembled state of the fuel cell stack 100 lies the pressure distribution element 130 , preferably flat, at the base surface 146 the receiving bag 144 and at least one lateral boundary surface 148 the receiving bag 144 at.

Wenn das Volumen der Aufnahmetasche 144 größer ist als das Volumen des Druckverteilungselements 130, kann ein (nicht dargestelltes) Volumenanpasselement in der Aufnahmetasche 144 angeordnet werden, um das für die Aufnahme des Druckverteilungselements 130 zur Verfügung stehende freie Volumen der Aufnahmetasche 144 an das Volumen des Druckverteilungselements 130 anzupassen.If the volume of the receiving bag 144 greater than the volume of the pressure distribution element 130 , may include a volume adjusting element (not shown) in the receiving pocket 144 be arranged to receive the pressure distribution element 130 available free volume of the receiving bag 144 to the volume of the pressure distribution element 130 adapt.

Ein solches Volumenanpasselement kann in der Aufnahmetasche 144, beispielsweise durch Einschrauben und/oder durch Einschieben und/oder durch Verrasten, lösbar festgelegt werden.Such a volume adjusting element may be in the receiving pocket 144 be set releasably, for example by screwing and / or by insertion and / or by latching.

Mit einer der Basisfläche 146 abgewandten Druckübertragungsfläche 150 liegt das Druckverteilungselement 130 im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 100 vorzugsweise an dem Stromabnehmerelement 128, insbesondere im Wesentlichen flächig, an.With one of the base area 146 remote pressure transfer surface 150 lies the pressure distribution element 130 in the assembled state of the fuel cell stack 100 preferably on the current collector element 128 , in particular substantially flat, to.

Wie aus 2 zu ersehen ist, kann die Aufnahmetasche 144 zur Aufnahme des Druckverteilungselements 130 in eine Aufnahmevertiefung 152 der Endplatte 106 münden, welche im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels 100 das Stromabnehmerelement 128 zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, aufnimmt.How out 2 It can be seen, the receiving bag 144 for receiving the pressure distribution element 130 into a recording cavity 152 the end plate 106 open, which in the assembled state of the fuel cell stack 100 the pantograph element 128 at least partially, preferably substantially completely.

Wie aus 2 ferner zu ersehen ist, ist dabei die Aufnahmevertiefung 152 vorzugsweise so ausgebildet, dass die Kontaktfläche 132 des Stromabnehmerelements 128 im Wesentlichen bündig mit einer an die Aufnahmevertiefung 152 angrenzenden Oberfläche 154 der Endplatte 106 ist.How out 2 it can also be seen that is the recording deepening 152 preferably designed so that the contact surface 132 of the pantograph element 128 essentially flush with one to the receiving recess 152 adjacent surface 154 the end plate 106 is.

Die Aufnahmevertiefung 152 ist in der Stapelrichtung 104 durch eine Basisfläche 156 und in der Querrichtung 140 durch eine seitliche Begrenzungsfläche 158 begrenzt.The recording well 152 is in the stacking direction 104 through a base area 156 and in the transverse direction 140 through a lateral boundary surface 158 limited.

An der Basisfläche 156 stützt sich das Stromabnehmerelement 128 ab. At the base area 156 the pantograph element is supported 128 from.

Die seitliche Begrenzungsfläche 158 sichert das Stromabnehmerelement 128 gegen eine Verschiebung relativ zu der Endplatte 106 und damit relativ zu dem Druckverteilungselement 130 längs der Querrichtung 140.The lateral boundary surface 158 secures the pantograph element 128 against displacement relative to the end plate 106 and thus relative to the pressure distribution element 130 along the transverse direction 140 ,

Die Endplattenanordnung 134 wurde vorstehend am Beispiel der die untere Endplatte 106 umfassenden Endplattenanordnung 134 beschrieben.The end plate assembly 134 was above the example of the lower end plate 106 comprehensive end plate assembly 134 described.

Die die obere Endplatte 108 umfassende Endplattenanordnung 134 ist entsprechend aufgebaut und kann insbesondere im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der die untere Endplatte 106 umfassenden Endplattenanordnung 134, in Bezug auf eine horizontale Quermittelebene des Brennstoffzellenstapels 100, ausgebildet sein.The the upper end plate 108 comprehensive endplate layout 134 is constructed accordingly and in particular can be substantially mirror-symmetrical to the lower end plate 106 comprehensive end plate assembly 134 with respect to a horizontal transverse center plane of the fuel cell stack 100 be trained.

Das Stromabnehmerelement 128 kann mit Kanälen eines Kühlmittel-Strömungsfeldes (sogenanntes Kühlmittel-"Flowfield") und/oder mit Kanälen eines Gas-Strömungsfeldes (sogenanntes Gas-"Flowfield"), insbesondere eines Brenngas-Strömungsfeldes oder eines Oxidationsmittel-Strömungsfeldes, versehen sein.The pantograph element 128 may be provided with channels of a coolant flow field (so-called coolant "flowfield") and / or channels of a gas flow field (so-called gas "flowfield"), in particular a fuel gas flow field or an oxidant flow field.

Eine solche Kanalstruktur kann durch spanende Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, des Stromabnehmerelements 128 erzeugt sein.Such a channel structure can by machining, in particular by milling, the current collector element 128 be generated.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine solche Kanalstruktur, insbesondere bei Verwendung eines hierfür geeigneten Metallbandes als Stromabnehmerelement 128, durch einen Abtrennvorgang, insbesondere einen Stanzvorgang, und/oder durch einen Umformvorgang, insbesondere einen Prägevorgang, erzeugt werden.Alternatively or additionally, such a channel structure, in particular when using a metal strip suitable for this purpose as a current collector element 128 be produced by a separation process, in particular a punching operation, and / or by a forming process, in particular a stamping process.

Das Stromabnehmerelement 128 kann mit der benachbarten randständigen Brennstoffzelleneinheit 102, insbesondere mit einem Interkonnektor oder einer Bipolarplatte einer solchen Brennstoffzelleneinheit 102, gefügt werden.The pantograph element 128 can with the adjacent marginal fuel cell unit 102 , in particular with an interconnector or a bipolar plate of such a fuel cell unit 102 to be joined.

Eine in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Druckverteilungselement 130 nicht in eine Aufnahmetasche 144 der Endplatte 106 eingelegt wird, sondern in ein Volumen, das zwischen der Endplatte 106 und einem schwimmend auf dem Druckverteilungselement 130 gelagerten Stromabnehmerelement 128 verbleibt.An in 3 illustrated second embodiment of an end plate assembly 134 is different from the one in 2 illustrated first embodiment in that the pressure distribution element 130 not in a storage bag 144 the end plate 106 is inserted but in a volume that is between the end plate 106 and floating on the pressure distribution element 130 mounted pantograph element 128 remains.

Dabei ist im seitlichen Randbereich des Stromabnehmerelements 128 und der Endplatte 106 ein Dichtelement 160 angeordnet, welches ein Entweichen des Druckverteilungselements 130 aus dem Zwischenraum 162 zwischen dem Stromabnehmerelement 128 und der Endplatte 106 verhindert.It is in the lateral edge region of the current collector element 128 and the end plate 106 a sealing element 160 arranged, which is an escape of the pressure distribution element 130 from the gap 162 between the pantograph element 128 and the end plate 106 prevented.

Das Dichtelement 160 kann beispielsweise aus einem Elastomermaterial gebildet sein.The sealing element 160 may be formed, for example, of an elastomeric material.

Das Dichtelement 160 kann insbesondere einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. The sealing element 160 may in particular have a substantially circular cross-section.

Das Dichtelement 160 liegt vorzugsweise sowohl an einer das Druckverteilungselement 130 tragenden Basisfläche 146 der Endplatte 106 als auch an einer dem Druckverteilungselement 130 zugewandten Kontaktfläche 164 des Stromabnehmerelements 128 an.The sealing element 160 is preferably located on both the pressure distribution element 130 carrying base area 146 the end plate 106 as well as at a pressure distribution element 130 facing contact surface 164 of the pantograph element 128 at.

Im Bereich der Gasdurchtrittskanäle, in denen im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 das Brenngas bzw. das Oxidationsmittel durch die Endplatte 106 und/oder durch das Stromabnehmerelement 128 hindurch treten, sind diese Gasdurchtrittskanäle umschließende weitere Dichtelemente, beispielsweise aus einem Elastomermaterial, angeordnet.In the area of the gas passageways, in which during operation of the fuel cell stack 100 the fuel gas or the oxidizing agent through the end plate 106 and / or through the pantograph element 128 pass through, these gas passageways surrounding further sealing elements, for example, made of an elastomeric material, are arranged.

Wenn mittels Spannvorrichtung 110 des Brennstoffzellenstapels 100 ein Druck auf das Druckverteilungselement 130 ausgeübt wird, weicht das formveränderliche Druckverteilungsmaterial 136 dreidimensional aus und verteilt den Druck gleichmäßig über die Druckübertragungsfläche 150.If by means of clamping device 110 of the fuel cell stack 100 a pressure on the pressure distribution element 130 is exercised, gives way to the shape-changing pressure distribution material 136 three-dimensional and distributes the pressure evenly over the pressure transmission surface 150 ,

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das formveränderliche Druckverteilungsmaterial ein Formgedächtnis auf, so dass das Druckverteilungsmaterial 136 seine ursprüngliche Form wieder annimmt, wenn der mittels der Spannvorrichtung 110 auf das Druckverteilungselement 130 ausgeübte Druck nachlässt.In a preferred embodiment of the invention, the shape-changing pressure distribution material has a shape memory, so that the pressure distribution material 136 resumes its original shape when using the jig 110 on the pressure distribution element 130 exerted pressure subsides.

Ein solches Formgedächtnis weist beispielsweise das vorstehend erwähnte, unter der Bezeichnung "Technogel" vertriebene PUR-Elastomer auf.Such a shape memory has, for example, the above-mentioned, sold under the name "Technogel" PUR elastomer.

Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 und eines mit mindestens einer solchen Endplattenanordnung 134 versehenen Brennstoffzellenstapels 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 3 illustrated second embodiment of an end plate assembly 134 and one with at least one such end plate assembly 134 provided fuel cell stack 100 in terms of structure, function and method of production with in the 1 and 2 illustrated in the first embodiment, reference is made to the above description in this regard.

Eine in 4 dargestellte dritte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Endplattenanordnung 134 ein Rahmenelement 166 umfasst, welches am äußeren Rand des Druckverteilungselements 130 angeordnet ist, eine seitliche Berandung des Druckverteilungselements 130 bildet und ein Entweichen des Druckverteilungselements 130 in der Querrichtung 140 verhindert.An in 4 illustrated third embodiment of an end plate assembly 134 is different from the one in 3 illustrated second embodiment in that the Endplattenanordnung 134 a frame element 166 comprising, which at the outer edge of the pressure distribution element 130 is arranged, a lateral boundary of the pressure distribution element 130 forms and an escape of the pressure distribution element 130 in the transverse direction 140 prevented.

Ein solches Rahmenelement 166 kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein.Such a frame element 166 may be formed, for example, of a plastic material.

Das Rahmenelement 166 weist vorzugsweise eine Ausnehmung 168 auf, in welche ein äußerer Rand des Stromabnehmerelements 128 zumindest teilweise einlegbar ist.The frame element 166 preferably has a recess 168 into which an outer edge of the pantograph element 128 at least partially insertable.

Die Ausnehmung 168 weist vorzugsweise eine Basisfläche 170 auf, welche das Stromabnehmerelement 128 abstützt, und eine seitliche Begrenzungsfläche 172, welche eine seitliche Berandung des Stromabnehmerelements 128 bildet und eine Bewegung des Stromabnehmerelements 128 relativ zu dem Druckverteilungselement 130, relativ zu dem Rahmenelement 166 und/oder relativ zu der Endplatte 106 in der Querrichtung 140 begrenzt oder verhindert.The recess 168 preferably has a base surface 170 on which the current collector element 128 supports, and a lateral boundary surface 172 , which a lateral boundary of the current collector element 128 forms and a movement of the current collector element 128 relative to the pressure distribution element 130 , relative to the frame element 166 and / or relative to the end plate 106 in the transverse direction 140 limited or prevented.

Vorzugsweise ist die Kontaktfläche 132 des Stromabnehmerelements 128 im Wesentlichen bündig mit einer freien Oberfläche 174 des Rahmenelements 166.Preferably, the contact surface 132 of the pantograph element 128 essentially flush with a free surface 174 of the frame element 166 ,

Bei dieser Ausgestaltung der Endplattenanordnung 134 kann ein Dichtelement 160, beispielsweise aus einem Elastomer-Material, in einem Zwischenraum 176 zwischen dem Rahmenelement 166 und der Endplatte 106 angeordnet sein.In this embodiment, the Endplattenanordnung 134 can be a sealing element 160 , For example, of an elastomeric material, in a space 176 between the frame element 166 and the end plate 106 be arranged.

Das Dichtelement 160 liegt vorzugsweise sowohl an dem Rahmenelement 166, vorzugsweise an mehreren voneinander beabstandeten Stellen, und an der Endplatte 106, vorzugsweise an mehreren voneinander beabstandeten Stellen, an.The sealing element 160 is preferably located both on the frame element 166 , preferably at a plurality of spaced locations, and at the end plate 106 , preferably at a plurality of spaced-apart locations.

Das Dichtelement 160 verhindert, dass das Druckverteilungselement 130 durch den Zwischenraum 176 zwischen der Endplatte 106 und dem Rahmenelement 166 entweichen kann.The sealing element 160 prevents the pressure distribution element 130 through the gap 176 between the end plate 106 and the frame element 166 can escape.

Um den Zwischenraum 176 auszubilden, welcher das Dichtelement 160 aufnimmt, kann vorgesehen sein, dass das Rahmenelement an seiner der freien Oberfläche 174 abgewandten Seite mit einer Ausnehmung 178 und/oder die Endplatte 106 an ihrer dem Rahmenelement 166 zugewandten Seite mit einer Ausnehmung 180 versehen ist.To the gap 176 form, which the sealing element 160 can be provided that the frame element at its free surface 174 opposite side with a recess 178 and / or the end plate 106 at her the frame element 166 facing side with a recess 180 is provided.

Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte dritte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 und eines mindestens eine solche Endplattenanordnung 134 umfassenden Brennstoffzellenstapels 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 4 illustrated third embodiment of an end plate assembly 134 and at least one such end plate assembly 134 comprehensive fuel cell stack 100 in terms of structure, function and method of manufacture with the in 3 illustrated second embodiment, to the above description in this respect reference is made.

Eine in 5 dargestellte vierte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 unterscheidet sich von den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen dadurch, dass das Stromabnehmerelement 128 in die Umhüllung 138 des Druckverteilungselements 130 integriert ist und daher kein zusätzliches, separat von dem Druckverteilungselement 130 ausgebildetes Stromabnehmerelement 128 vorhanden sein muss. An in 5 illustrated fourth embodiment of an end plate assembly 134 is different from the ones in the 2 to 4 illustrated embodiments in that the current collector element 128 into the serving 138 the pressure distribution element 130 is integrated and therefore no additional, separate from the pressure distribution element 130 trained pantograph element 128 must be present.

Zu diesem Zweck umfasst die Umhüllung 138 mindestens einen elektrisch leitfähigen Stromabnehmerabschnitt 182, dessen Außenfläche bei dieser Ausführungsform sowohl als Kontaktfläche 132 des Stromabnehmerelements 128 als auch als Druckübertragungsfläche 150 des Druckverteilungselements 130 dient.For this purpose, the wrapping includes 138 at least one electrically conductive pantograph section 182 , whose outer surface in this embodiment both as a contact surface 132 of the pantograph element 128 as well as pressure transfer surface 150 the pressure distribution element 130 serves.

Der Stromabnehmerabschnitt 182 der Umhüllung 138 des Druckverteilungselements 130 kann beispielsweise eine Folie eines elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere eines metallischen Materials, umfassen.The pantograph section 182 the serving 138 the pressure distribution element 130 For example, it may comprise a foil of an electrically conductive material, in particular a metallic material.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Stromabnehmerabschnitt 182 Aluminium umfasst, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.In particular, it can be provided that the current collector section 182 Aluminum, preferably formed substantially entirely of aluminum or an aluminum alloy.

Der Stromabnehmerabschnitt 182 der Umhüllung 138 ist fluiddicht mit einem Ergänzungsabschnitt 184 der Umhüllung 138 verbunden und umschließt gemeinsam mit dem Ergänzungsabschnitt 184 den Innenraum 186, in welchem das formveränderliche Druckverteilungsmaterial 136 des Druckverteilungselements 130 angeordnet ist.The pantograph section 182 the serving 138 is fluid-tight with a supplementary section 184 the serving 138 connected and encloses together with the supplementary section 184 the interior 186 in which the shape-changing pressure distribution material 136 the pressure distribution element 130 is arranged.

Vorzugsweise sind der Stromabnehmerabschnitt 182 und der Ergänzungsabschnitt 184 der Umhüllung 138 stoffschlüssig, beispielsweise durch Verklebung, Verlötung und/oder Verschweißung, miteinander verbunden.Preferably, the pantograph section 182 and the supplementary section 184 the serving 138 cohesively, for example by gluing, soldering and / or welding, connected together.

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Stromabnehmerabschnitt 182 und der Ergänzungsabschnitt 184 der Umhüllung 138 einstückig miteinander ausgebildet sind.Alternatively, it can also be provided that the current collector section 182 and the supplementary section 184 the serving 138 are integrally formed with each other.

Das Druckverteilungselement 130 kann bei dieser Ausführungsform, ähnlich wie bei der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform, zumindest teilweise in einer Aufnahmetasche 144 angeordnet sein, welche als eine Ausnehmung 142 an der dem Druckverteilungselement 130 zugewandten Seite der Endplatte 106 ausgebildet ist.The pressure distribution element 130 can in this embodiment, similar to the in 2 illustrated first embodiment, at least partially in a receiving pocket 144 be arranged, which as a recess 142 at the pressure distribution element 130 facing side of the end plate 106 is trained.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass die seitliche Begrenzungsfläche 148 der Aufnahmetasche 144 gegenüber der Stapelrichtung 104 geneigt ist, beispielsweise um einen Winkel von ungefähr 30 Grad bis ungefähr 60 Grad.In a preferred embodiment of this embodiment, it is provided that the lateral boundary surface 148 the receiving bag 144 opposite the stacking direction 104 is inclined, for example, by an angle of about 30 degrees to about 60 degrees.

Ein Verbindungsbereich 188 der Umhüllung 138, in welchem der Stromabnehmerabschnitt 182 und der Ergänzungsabschnitt 184 der Umhüllung 138 aneinander festgelegt sind, ist vorzugsweise außerhalb der Aufnahmetasche 144 angeordnet und liegt vorzugsweise an einer der Umhüllung 138 zugewandten Oberfläche 154 der Endplatte 106 an.A connection area 188 the serving 138 in which the pantograph section 182 and the supplementary section 184 the serving 138 are fixed to each other, is preferably outside of the receiving pocket 144 arranged and preferably located on one of the enclosure 138 facing surface 154 the end plate 106 at.

Der Ergänzungsabschnitt 184 der Umhüllung 138 kann grundsätzlich aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gebildet sein, da die Funktion des Stromabnehmerelements 128 durch den Stromabnehmerabschnitt 182 der Umhüllung 138 erfüllt wird.The supplementary section 184 the serving 138 can basically be formed from an electrically conductive material or from an electrically non-conductive material, since the function of the current collector element 128 through the pantograph section 182 the serving 138 is fulfilled.

Der Ergänzungsabschnitt 184 kann somit beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem metallischen Material gebildet sein.The supplementary section 184 can thus be formed, for example, of a plastic material or of a metallic material.

Insbesondere kann der Ergänzungsabschnitt 184 aus einem Folienmaterial gebildet sein.In particular, the supplementary section 184 be formed of a film material.

Vorzugsweise ist der Ergänzungsabschnitt 184 aus demselben Material gebildet wie der Stromabnehmerabschnitt 182.Preferably, the supplementary section 184 made of the same material as the pantograph section 182 ,

Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 wird durch den Stromabnehmerabschnitt 182 der Umhüllung 138 des Druckverteilungselements 130 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der an der Umhüllung 138 anliegenden randständigen Brennstoffzelleneinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 einerseits und einem (nicht dargestellten) Stromanschluss des Brennstoffzellenstapels 100 hergestellt.During operation of the fuel cell stack 100 is through the pantograph section 182 the serving 138 the pressure distribution element 130 an electrically conductive connection between the on the enclosure 138 adjacent marginal fuel cell unit 102 of the fuel cell stack 100 on the one hand and a (not shown) power connection of the fuel cell stack 100 produced.

Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte vierte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 und eines mit mindestens einer solchen Endplattenanordnung 134 versehenen Brennstoffzellenstapels 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 5 illustrated fourth embodiment of an end plate assembly 134 and one with at least one such end plate assembly 134 provided fuel cell stack 100 in terms of structure, function and method of production with in the 1 to 4 illustrated embodiments, reference is made to the above description in this regard.

Eine in 6 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Endplattenanordnung 134 bei dieser Ausführungsform kein separates Dichtelement 160 umfasst, welches ein Entweichen des Druckverteilungselements 130 aus dem Zwischenraum 162 zwischen der Endplatte 106 und dem Stromabnehmerelement 128 verhindert.An in 6 illustrated fifth embodiment of an end plate assembly 134 is different from the one in 3 illustrated second embodiment in that the Endplattenanordnung 134 in this embodiment, no separate sealing element 160 comprising, which is an escape of the pressure distribution element 130 from the gap 162 between the end plate 106 and the pantograph element 128 prevented.

Bei dieser Ausführungsform weist die Umhüllung 138 des Druckverteilungselements 130 eine ausreichende Stabilität auf, um auch ohne seitliche Unterstützung durch ein zusätzliches Dichtelement dem zur Kompression des Brennstoffzellenstapels 100 mittels der Spannvorrichtung 110 erforderlichen Druck standzuhalten. In diesem Fall ist daher weder ein separates Dichtelement 160 noch die Ausbildung einer Aufnahmetasche 144 an der Endplatte 106 erforderlich. In this embodiment, the enclosure 138 the pressure distribution element 130 sufficient stability, even without lateral support by an additional sealing element for compression of the fuel cell stack 100 by means of the tensioning device 110 required pressure to withstand. In this case, therefore, neither a separate sealing element 160 nor the training of a receiving bag 144 at the end plate 106 required.

Vielmehr kann das Druckverteilungselement 130 einfach zwischen die Endplatte 106 und das Stromabnehmerelement 128 eingelegt werden und die aufgebrachte Spannkraft im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 gleichmäßig verteilen.Rather, the pressure distribution element 130 just between the end plate 106 and the pantograph element 128 be inserted and the applied clamping force during operation of the fuel cell stack 100 spread evenly.

Hierbei kann das Druckverteilungselement 130 den gesamten Bereich der dem Stromabnehmerelement 128 benachbarten randständigen Brennstoffzelleneinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 überdecken oder nur einen Teilbereich hiervon, beispielsweise den elektrochemisch aktiven Zellbereich, in welchem insbesondere die KEA-Einheit der Brennstoffzelleneinheit 102 angeordnet ist.Here, the pressure distribution element 130 the entire area of the pantograph element 128 adjacent marginal fuel cell unit 102 of the fuel cell stack 100 cover or only a portion of this, for example, the electrochemically active cell area, in which in particular the KEA unit of the fuel cell unit 102 is arranged.

Das Druckverteilungselement 130 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform vorzugsweise bis zum äußeren Rand der Endplatte 106 und/oder bis zum äußeren Rand des Stromabnehmerelements 128.The pressure distribution element 130 In this embodiment, it preferably extends to the outer edge of the end plate 106 and / or to the outer edge of the pantograph element 128 ,

Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 und eines Brennstoffzellenstapels 100 mit mindestens einer solchen Endplattenanordnung 134 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 6 illustrated fifth embodiment of an end plate assembly 134 and a fuel cell stack 100 with at least one such end plate assembly 134 in terms of structure, function and method of manufacture with the in 3 illustrated second embodiment, to the above description in this respect reference is made.

Eine in 7 dargestellte sechste Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten fünften Ausführungsform dadurch, dass das formveränderliche Druckverteilungsmaterial 136 des Druckverteilungselements 130 eine solche Kohärenz aufweist, dass es auch unter dem zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 100 mittels der Spannvorrichtung 110 erforderlichen Druck seinen Zusammenhalt bewahrt und nicht aus dem Zwischenraum 162 zwischen der Endplatte 106 und dem Stromabnehmerelement 128 entweicht.An in 7 illustrated sixth embodiment of an end plate assembly 134 is different from the one in 6 illustrated fifth embodiment in that the shape-changing pressure distribution material 136 the pressure distribution element 130 has such a coherence that it is also below that for tensioning the fuel cell stack 100 by means of the tensioning device 110 required pressure keeps its cohesion and not from the gap 162 between the end plate 106 and the pantograph element 128 escapes.

Das Druckverteilungselement 130 kann daher bei dieser Ausführungsform ohne Umhüllung 138 ausgebildet sein.The pressure distribution element 130 can therefore in this embodiment without wrapping 138 be educated.

Als Druckverteilungsmaterial 136 für diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise ein gelartiges Polymermaterial, insbesondere das bereits vorstehend erwähnte, unter der Bezeichnung "Technogel" vertriebene PUR-Elastomer.As a pressure distribution material 136 For this embodiment, for example, a gel-like polymer material, in particular the already mentioned above, sold under the name "Technogel" PUR elastomer is suitable.

Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte sechste Ausführungsform einer Endplattenanordnung 134 und eines Brennstoffzellenstapels 100 mit mindestens einer solchen Endplattenanordnung 134 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten fünften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 7 illustrated sixth embodiment of an end plate assembly 134 and a fuel cell stack 100 with at least one such end plate assembly 134 in terms of structure, function and method of manufacture with the in 6 illustrated fifth embodiment, reference is made to the above description in this regard.

Ein Druckverteilungselement 130 ohne Umhüllung 138 kann auch bei allen anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen statt eines Druckverteilungselements 130 mit Umhüllung 138 verwendet werden.A pressure distribution element 130 without serving 138 can also be used in all other embodiments described above instead of a pressure distribution element 130 with serving 138 be used.

Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer elektrochemischen Vorrichtung 101, welche mehrere, in einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten 103 und mindestens eine Endplattenanordnung 134 umfasst, können in einem Verfahren hergestellt werden, welches Folgendes umfasst:

  • – Aufeinanderstapeln mehrerer elektrochemischer Einheiten 103 und mindestens einer Endplattenanordnung 134, welche ein Druckverteilungselement 130 umfasst, das ein unter Druckeinwirkung formveränderliches Druckverteilungsmaterial 136 umfasst;
  • – Beaufschlagen des Stapels mit den elektrochemischen Einheiten 103 und der Endplattenanordnung 134 mit einer Vorspannkraft;
  • – Messen eines durch die Vorspannkraft erzeugten, auf das Druckverteilungsmaterial 136 einwirkenden Druckes.
All the above-described embodiments of an electrochemical device 101 which several, in a stacking direction 104 successive electrochemical units 103 and at least one end plate assembly 134 can be made in a process comprising:
  • - Stacking several electrochemical units 103 and at least one end plate assembly 134 , which is a pressure distribution element 130 comprising a pressure-variable pressure-distributing material 136 includes;
  • - Loading the stack with the electrochemical units 103 and the end plate assembly 134 with a biasing force;
  • - Measuring a generated by the biasing force on the pressure distribution material 136 acting pressure.

Der auf diese Weise gemessene Druck kann zur Einstellung der Vorspannkraft und deren betrieblicher Kontrolle verwendet werden.The pressure measured in this way can be used to adjust the preload force and its operational control.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7776488 B2 [0021] US 7776488 B2 [0021]
  • DE 10044703 A1 [0089] DE 10044703 A1 [0089]

Claims (18)

Endplattenanordnung für eine elektrochemische Vorrichtung (101), umfassend eine Endplatte (106), dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) ein Druckverteilungselement (130) umfasst, das ein unter Druckeinwirkung formveränderliches Druckverteilungsmaterial (136) umfasst.End plate assembly for an electrochemical device ( 101 ) comprising an end plate ( 106 ), characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) a pressure distribution element ( 130 ) comprising a pressure-variable pressure-distributing material ( 136 ). Endplattenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungsmaterial (136) ein Fluid umfasst.End plate assembly according to claim 1, characterized in that the pressure distribution material ( 136 ) comprises a fluid. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungsmaterial (136) unter einem Verspannungsdruck von 300 bar nicht durch einen Spalt mit einem Spaltmaß von 1/1000 mm entweicht.End plate arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pressure distribution material ( 136 ) does not escape through a nip with a gap of 1/1000 mm under a stress of 300 bar. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungsmaterial (136) ein untervernetztes Polymer und/oder ein Gelmaterial und/oder eine Schüttung eines Pulvers umfasst.End plate arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure distribution material ( 136 ) comprises an undercrosslinked polymer and / or a gel material and / or a bed of a powder. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungselement (130) eine Umhüllung (138) umfasst, welche das Druckverteilungsmaterial (136) in einem Inenraum des Druckverteilungselements (130) zumindest teilweise von einem Außenraum des Druckverteilungselements (130) trennt. End plate arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pressure distribution element ( 130 ) an envelope ( 138 ) comprising the pressure distribution material ( 136 ) in an interior of the pressure distribution element ( 130 ) at least partially from an outer space of the pressure distribution element ( 130 ) separates. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungselement (130) eine Umhüllung (138) umfasst, welche das Druckverteilungsmaterial (136) vollständig einschließt.End plate arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the pressure distribution element ( 130 ) an envelope ( 138 ) comprising the pressure distribution material ( 136 ) completely encloses. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (138) von der Endplatte (106) abnehmbar ist.End plate arrangement according to one of claims 5 or 6, characterized in that the envelope ( 138 ) from the end plate ( 106 ) is removable. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Umhüllung (138) durch Fügung mit der Endplatte (106) verbunden ist.End plate arrangement according to one of claims 5 or 6, characterized in that at least a part of the envelope ( 138 ) by joining with the end plate ( 106 ) connected is. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (138) ein metallisches Material umfasst.End plate arrangement according to one of claims 5 to 8, characterized in that the envelope ( 138 ) comprises a metallic material. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Umhüllung (138) ein Stromabnehmerelement (128) der Endplattenanordnung (134) bildet.End plate arrangement according to one of claims 5 to 9, characterized in that at least a part of the envelope ( 138 ) a current collector element ( 128 ) of the endplate assembly ( 134 ). Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) ein Stromabnehmerelement (128) umfasst, das schwimmend an dem Druckverteilungselement (130) gelagert ist.End plate arrangement according to one of claims 1 to 10, characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) a current collector element ( 128 ) floating on the pressure distribution element ( 130 ) is stored. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) eine Aufnahmetasche (144) zum zumindest teilweisen Aufnehmen des Druckverteilungselements (130) umfasst. End plate arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) a receiving bag ( 144 ) for at least partially receiving the pressure distribution element ( 130 ). Endplattenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) mindestens ein Volumenanpasselement umfasst, das in der Aufnahmetasche (144) angeordnet ist, um das für die Aufnahme des Druckverteilungselements (130) zur Verfügung stehende freie Volumen der Aufnahmetasche (144) an das Volumen des Druckverteilungselements (130) anzupassen.End plate arrangement according to claim 12, characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) comprises at least one volume adjusting element which is in the receiving pocket ( 144 ) is arranged to the for receiving the pressure distribution element ( 130 ) available free volume of the receiving bag ( 144 ) to the volume of the pressure distribution element ( 130 ). Endplattenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenanpasselement durch Einschrauben und/oder durch Einschieben und/oder durch Verrastung in der Aufnahmetasche (144) festgelegt ist.End plate arrangement according to claim 13, characterized in that the volume adjusting element by screwing and / or by insertion and / or by locking in the receiving pocket ( 144 ). Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) ein Dichtelement (160) umfasst, welches ein Entweichen des Druckverteilungselements (130) verhindert.End plate arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) a sealing element ( 160 ), which is an escape of the pressure distribution element ( 130 ) prevented. Endplattenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (134) ein Rahmenelement (166) umfasst, welches eine seitliche Berandung des Druckverteilungselements (130) und/oder eine seitliche Berandung eines Stromabnehmerelements (128) und/oder eine Auflage für ein Stromabnehmerelement (128) bildet.End plate arrangement according to one of claims 1 to 15, characterized in that the end plate arrangement ( 134 ) a frame element ( 166 ), which has a lateral boundary of the pressure distribution element ( 130 ) and / or a lateral edge of a pantograph element ( 128 ) and / or a support for a pantograph element ( 128 ). Elektrochemische Vorrichtung, umfassend mehrere, in einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (103) und mindestens eine Endplattenanordnung (134) nach einem der Ansprüche 1 bis 16. Electrochemical device comprising a plurality, in a stacking direction ( 104 ) successive electrochemical units ( 103 ) and at least one end plate assembly ( 134 ) according to one of claims 1 to 16. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Vorrichtung (101), welche mehrere, in einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende elektrochemische Einheiten (103) und mindestens eine Endplattenanordnung (134) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: – Aufeinanderstapeln mehrerer elektrochemischer Einheiten (103) und mindestens einer Endplattenanordnung (134), welche ein Druckverteilungselement (130) umfasst, das ein unter Druckeinwirkung formveränderliches Druckverteilungsmaterial (136) umfasst; – Beaufschlagen des Stapels mit den elektrochemischen Einheiten (103) und der Endplattenanordnung (134) mit einer Vorspannkraft; – Messen eines durch die Vorspannkraft erzeugten, auf das Druckverteilungsmaterial (136) einwirkenden Drucks.Method for producing an electrochemical device ( 101 ), which several, in a stacking direction ( 104 ) successive electrochemical units ( 103 ) and at least one end plate assembly ( 134 ), the method comprising: stacking a plurality of electrochemical units ( 103 ) and at least one end plate assembly ( 134 ), which is a pressure distribution element ( 130 ) comprising a pressure-variable pressure-distributing material ( 136 ); - charging the stack with the electrochemical units ( 103 ) and the endplate assembly ( 134 ) with a biasing force; Measuring a pressure generated by the biasing force on the pressure distribution material ( 136 ) acting pressure.
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