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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einer Brennstoffzelle ist ein Zellenstapel, der aus einer Mehrzahl von gestapelten Zellen besteht, sandwichartig in einem zusammengedrückten Zustand zwischen Endplatten aufgenommen, die jeweils an gegenüberliegenden Enden des Zellenstapels in Zellenstapelrichtung angeordnet sind, wobei die Endplatten miteinander durch Zuglaschen verbunden sind.
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Die offengelegte japanische Patentanmeldung
JP 2010 - 061 965 A beschreibt ein Beispiel eines Verfahrens zum Zusammenbauen der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle. Gemäß der
JP 2010 - 061 965 A wird eine der Endplatten vorab an Spannscheiben bzw. Zuglaschen befestigt. Dann wird, während eine Druckkraft auf den Zellstapel aufgebracht wird, die Druckkraft gemessen. Wenn die Druckkraft einen vorgegebenen Wert erreicht, wird die andere Endplatte an den Zuglaschen befestigt.
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Jedoch wird gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle eine Zugkraft, die eine Reaktionskraft gegen die Druckkraft darstellt, auf die Zuglaschen und die Endplatten nur aufgebracht, nachdem die Zuglaschen und die Endplatten aneinander befestigt sind. Daher können die Zuglaschen und die Endplatten zugbelastet und verformt werden, nachdem die Zuglaschen und die Endplatten aneinander befestigt wurden, so dass der Zellenstapel gelockert werden kann, was zu einer Verringerung der auf den Zellenstapel wirkenden Druckkraft führt. Eine Verringerung der auf den Zellenstapel wirkenden Druckkraft kann beispielsweise ein Ausströmen von Brenngas und Oxidationsgas, die durch den Zellenstapel fließen, verursachen.
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Ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der Stapel zumindest eine Brennstoffzelle, eine an das erste Ende des Brennstoffzellenstapels angrenzende erste Endeinheit, eine an das zweite Ende des Brennstoffzellenstapels angrenzende zweite Endeinheit und ein Kompressionshalterungssystem umfasst ,ist aus der
DE 10 2007 059 449 A1 bekannt. Das Kompressionshalterungssystem umfasst einen planaren Streifen, der zumindest eine Biegung bildet, wobei der Streifen sich von der ersten Endeinheit zu der zweiten Endeinheit des Brennstoffzellensystems erstreckt.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung verhindert die Verformung eines Verbindungselements, wie z.B. den Zuglaschen, und Endplatten, nachdem die Verbindungselemente und Endplatten aneinander befestigt wurden, wodurch eine Verringerung der Druckkraft, die auf einen Zellenstapel einer Brennstoffzelle wirkt, verhindert werden kann.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1. Gemäß diesem Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle wird ein erster Endabschnitts eines Verbindungselements an einer ersten Endplatte befestigt, eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft wird zeitweilig an einem zweiten Endabschnitt des Verbindungselements befestigt, durch Einbringen einer Mehrzahl von Haken an den vorderen Enden von Armabschnitten der Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft in eine Mehrzahl von Öffnungen an dem zweiten Endabschnitt des Verbindungselements, und der zweite Endabschnitts des Verbindungselements wird vermittels einer Fixiervorrichtung an einer zweiten Endplatte in einem Zustand befestigt, bei dem durch die Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft eine vorgegebene Zugkraft auf das Verbindungselement aufgebracht wird und und durch eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft eine vorgegebene Druckkraft auf einen Zellenstapel einer Brennstoffzelle aufgebracht wird. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen der Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft und der Fixiervorrichtung vom zweiten Endabschnitt des Verbindungselements und das Entfernen der Vorrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft vom Zellenstapel.
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Das Verbindungselement wird an der zweiten Endplatte in einem Zustand befestigt, bei dem die Zugkraft auf das Verbindungselement aufgebracht wird. Es ist daher möglich, die Verformung des Verbindungselements und der Endplatten zu verhindern, nachdem das Verbindungselement und die Endplatten aneinander befestigt wurden, wodurch eine Verringerung der Druckkraft, die auf den Zellenstapel der Brennstoffzelle wirkt, verhindert werden kann.
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Bei dem Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt kann die Zugkraft auf das Verbindungselement unter Verwendung einer Reaktionskraft gegen die auf den Brennstoffzellenstapel wirkende Druckkraft aufgebracht werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle nach Anspruch 4, aufweisend: eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft, die ein Verbindungselement zieht, um eine Zugkraft auf das Verbindungselement aufzubringen, von dem ein erster Endabschnitt an einer ersten Endplatte befestigt ist, wobei die Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft zeitweilig an einem zweiten Endabschnitt des Verbindungselements befestigt ist; eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft, die eine Druckkraft auf einen Zellenstapel einer Brennstoffzelle aufbringt; und eine Fixiervorrichtung, die den zweiten Endabschnitt des Verbindungselements, auf das die Zugkraft aufgebracht wird, und eine zweite Endplatte aneinander befestigt. Die Vorrichtung zum Aufbringen einer Zugkraft bringt die Zugkraft auf das Verbindungselement unter Verwendung einer Reaktionskraft auf, die ansprechend auf die von der Vorrichtung zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel aufgebrachte Druckkraft erzeugt wird.
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Das Verbindungselement wird an der zweiten Endplatte in einem Zustand befestigt, bei dem die Zugkraft auf das Verbindungselement aufgebracht wird. Es ist daher möglich, die Verformung des Verbindungselements und der Endplatten zu verhindern, nachdem das Verbindungselement und die Endplatten aneinander befestigt wurden, wodurch eine Verringerung der Druckkraft, die auf den Zellenstapel der Brennstoffzelle wirkt, verhindert werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Verformung des Verbindungselements und der Endplatten zu verhindern, nachdem das Verbindungselement und die Endplatten aneinander befestigt wurden, wodurch eine Verringerung der Druckkraft, die auf den Zellenstapel der Brennstoffzelle wirkt, verhindert werden kann.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei in den einzelnen Abbildungen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle aus 1;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Zustands, bei dem Verbindungsplatten an einer ersten Endplatte befestigt sind;
- 4 eine Ansicht, die einen Zustand darstellt, bei dem ein Zellenstapel und eine zweite Endplatte zwischen den Verbindungsplatten angeordnet sind;
- 5 eine Ansicht, die den Aufbau von Seitenstapelführungen zur hängenden Anordnung zeigt;
- 6 eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem der Zellenstapel zusammengedrückt ist;
- 7 eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem durch eine Stauchvorrichtung ein Stauchen durchgeführt wird;
- 8 eine Ansicht einer zusammengebauten Brennstoffzelle;
- 9 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der Armabschnitte Öffnungen aufweisen und Verbindungsplatten Haken haben; und
- 10 eine Ansicht, die den Aufbau einer Verbindungsplatte gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung im Detail Bezug nehmend auf die beigefügten Abbildungen beschrieben. Solange nichts anderes angegeben ist, basieren die Positionsbeziehungen wie oberhalb, unterhalb, rechts und links auf den in den Abbildungen dargestellten Positionsbeziehungen.
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1 ist eine Seitenansicht, die schematisch eine Vorrichtung 1 zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform zeigt. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 1 zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle.
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Die Vorrichtung 1 zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle umfasst eine Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft, eine Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft sowie Fixiervorrichtungen 15 (in 7 gezeigt). Die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft wird zeitweilig an Endabschnitten 12b von oberen und unteren Verbindungsplatten 12 befestigt, deren Endabschnitte 12a an einer ersten Endplatte 10 befestigt sind. Die Verbindungsplatten 12 dienen als Verbindungselemente. Es sei angemerkt, dass in der nachfolgenden Beschreibung der Endabschnitt 12a einer jeden Verbindungsplatte 12 als erster Endabschnitt 12a bezeichnet wird, und der Endabschnitt 12b einer jeden Verbindungsplatte 12 als zweiter Endabschnitt 12b bezeichnet wird. Die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft zieht die Verbindungsplatten 12, um eine Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 aufzubringen. Die Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft bringt eine Druckkraft auf einen Zellenstapel 60 einer Brennstoffzelle auf. Die Fixiervorrichtungen 15 befestigen die zweiten Endabschnitte 12b der Verbindungsplatten 12, auf die die Zugkraft aufgebracht wird, und eine zweite Endplatte 11 aneinander.
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Die Verbindungsplatten 12 verbinden die ersten Endplatte 10 und die zweite Endplatte 11 miteinander. Jede Verbindungsplatte 12 hat die Gestalt einer rechtwinkligen Platte und die ersten Endabschnitte 12a der Verbindungsplatten 12 sind jeweils an den oberen und unteren Abschnitten der ersten Endplatte 10 befestigt. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, hat der erste Endabschnitt 12a einer jeden Verbindungsplatte 12 ringförmige Abschnitte 21, durch die ein Befestigungsstift 20 geführt wird. Die ringförmigen Abschnitte 21 sind in vorgeschriebenen Abständen in Breitenrichtung der Verbindungsplatte 12 angeordnet (Richtung A in 3). Ringförmige Abschnitte 22, durch welche der Befestigungsstift 20 geführt wird, sind an den oberen und unteren Endflächen der ersten Endplatte 10 ausgebildet. Die ringförmigen Abschnitt 21 und die ringförmigen Abschnitte 22 sind an Stellen angeordnet, an denen die ringförmigen Abschnitte 21 und die ringförmigen Abschnitte 22 einander nicht behindern. Beispielsweise sind die ringförmigen Abschnitte 21 und die ringförmigen Abschnitte 22 abwechselnd in Breitenrichtung angeordnet (Richtung A in 3). Durch das Führen des Befestigungsstiftes 20 durch die ringförmigen Abschnitte 21 und die ringförmigen Abschnitte 22 wird der erste Endabschnitt 12a einer jeden Verbindungsplatte 12 an der ersten Endplatte 10 befestigt. Folglich verlaufen die beiden zueinander parallelen Verbindungsplatten 12 horizontal in eine Richtung (Richtung B in den 2 und 3) von den oberen und unteren Abschnitten der ersten Endplatte 10. Der zweite Endabschnitt 12b einer jeden Verbindungsplatte 12 hat Öffnungen 23, in die später beschriebene Haken 32 eingreifen. Die Verbindungsplatten 12 bestehen beispielsweise aus hochfesten Stahlplatten.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, hat die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft einen Basisabschnitt 30, der beispielsweise eine rechteckige Form hat, sowie eine Mehrzahl von Armabschnitten 31, die sich von oberen und unteren Abschnitten des Basisabschnitts 30 in die eine Richtung (Richtung B) erstrecken. Jeder Armabschnitt 31 hat beispielsweise die Form einer länglichen Platte und umfasst den Haken 32, der in eine entsprechende Öffnung 23 der Verbindungsplatte eingreift. Der Haken 32 ist an der Innenseite des entfernten bzw. vorderen Endes eines jeden Armabschnitts 31 ausgebildet. Jede der oberen und unteren Verbindungsplatten 12 hat drei Armabschnitte 31. Der Basisabschnitt 30 besteht beispielsweise aus Aluminium und die Armabschnitte 31 bestehen beispielsweise aus Edelstahl.
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Die Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft hat eine Bedien- bzw. Betätigungsstange 50 und einen Druckabschnitt 51. Die Betätigungsstange 50 ist in die eine Richtung (Richtung B) durch die Mitte des Basisabschnitts 30 der Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft geführt. Die Betätigungsstange kann in die eine Richtung (Richtung B) vorwärts und rückwärts bewegt werden. Der Druckabschnitt 51 ist am vorderen bzw. entfernten Ende der Betätigungsstange 50 ausgebildet und drückt die zweite Endplatte 11. Der Druckabschnitt 51 hat beispielsweise die Form eines rechtwinkligen Prismas. Die Längsrichtung des Druckabschnitts 51 ist senkrecht zu den Armabschnitten 31 und stimmt mit der horizontalen Richtung überein. Die Betätigungsstange 50 hat eine Gewindeoberfläche und wird in eine Gewindebohrung des Basisabschnitts 30 geschraubt, so dass sie mit dem Basisabschnitt 30 verbunden ist. Alternativ können die Betätigungsstange 50 und der Basisabschnitt 30 unter Verwendung eines Hydraulikzylinders, eines Servo-Druckaktuators oder dergleichen miteinander verbunden werden. Die Betätigungsstange 50 besteht beispielsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl und der Druckabschnitt 51 besteht beispielsweise aus Aluminium.
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Jede Fixiervorrichtung 15 ist beispielsweise eine Stauchvorrichtung, wie in 7 dargestellt. Die Fixiervorrichtung 15 staucht die Verbindungsplatte 12 in ihre Dickenrichtung nach innen, wodurch die Verbindungsplatte 12 an der zweiten Endplatte 11 befestigt wird.
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Nachfolgend wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle bei dem die vorstehend beschriebene Vorrichtung 1 zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle verwendet wird, beschrieben. Zunächst werden, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, die Befestigungsstifte 20 durch die ringförmigen Abschnitte 21 und 22 geführt, so dass die ersten Endabschnitte 12a der Verbindungsplatten 12 an der ersten Endplatte 10 befestigt sind. Dann werden, wie in 4 dargestellt ist, der Zellenstapel 60, der aus mehreren Zellen besteht, und die zweite Endplatte 11 zwischen den oberen und unteren Verbindungsplatten 12 angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt werden der Zellenstapel 60, die erste Endplatte 10 und die zweite Endplatte 11 zusammen von Seitenstapelführungen 70 zur hängenden Anordnung gelagert (Lagerabschnitte). Die Seitenstapelführungen 70 zur hängenden Anordnung werden durch rechte und linke Endabschnitte des Zellenstapels 60 in Zellenstapelrichtung geführt, beispielsweise wie in 5 gezeigt. Auf diese Weise lagern die Seitenstapelführungen 70 zur hängenden Anordnung den Zellenstapel 60 derart, dass der Zellenstapel 60 durch die Seitenstapelführungen 70 zur hängenden Anordnung aufgehängt ist, wie in 5 angedeutet.
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Dann wird die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft an den Verbindungsplatten 12 angebracht. Insbesondere werden die Haken 32 an den vorderen Enden der Armabschnitte 31 der Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft in die Öffnungen 23 an den zweiten Endabschnitten 12b der Verbindungsplatten 12 eingebracht. Dadurch werden die Armabschnitte 31 zeitweilig an den zweiten Endabschnitten 12b der Verbindungsplatten 12 befestigt.
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Dann wird, wie in 6 gezeigt, die Betätigungsstange 50 der Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft bewegt, um die zweite Endplatte mit dem Druckabschnitt 51 gegen den Zellenstapel 60 und die erste Endplatte 10 zu drücken. Infolge dessen wird der Zellenstapel 60 zusammengedrückt, so dass eine vorgegebene Druckkraft auf den Zellenstapel 60 aufgebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Armabschnitte 31 aufgrund einer Reaktionskraft gegen die Druckkraft in eine zur Richtung des Drucks entgegengesetzte Richtung gezogen. Als Ergebnis wird eine Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 aufgebracht.
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Dann werden, wie in 7 gezeigt, in einem Zustand, bei dem die Druckkraft auf den Zellenstapel 60 aufgebracht wird während die Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 aufgebracht wird, die zweiten Endabschnitte 12b der Verbindungsplatten 12 durch die Fixiervorrichtungen 15 an der zweiten Endplatte 11 befestigt. Zu diesem Zeitpunkt werden die zweiten Endabschnitte 12b der Verbindungsplatten 12 durch die Fixiervorrichtungen 15, die bei der vorliegenden Ausführungsformen als Stauchvorrichtungen ausgebildet sind, nach innen gestaucht.
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Dann werden, wie in 8 gezeigt, die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft, die Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft und die Fixiervorrichtung 15 von den Verbindungsplatten 12 entfernt, wodurch der Vorgang zum Zusammenbauen der Brennstoffzelle abgeschlossen wird.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die zweiten Endabschnitte 12b der Verbindungsplatten 12 an der zweiten Endplatte 11 in einem Zustand befestigt, bei dem eine vorgegebene Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 aufgebracht wird, deren erste Endabschnitte 12a an der ersten Endplatte 10 befestigt sind, und eine vorgegebene Druckkraft auf den Zellenstapel 60 aufgebracht wird, der aus einer Mehrzahl von Zellen besteht. Daher wird eine Zugkraft vorab auf die Verbindungsplatten 12 aufgebracht, bevor die Endplatten 10, 11 und die Verbindungsplatten 12 aneinander befestigt werden. Daher ist es möglich, die Verformung der Verbindungsplatten 12 und der Endplatten 10, 11 zu verhindern, die verursacht werden könnte, nachdem die Verbindungsplatten 12 und die Endplatten 10,11 aneinander befestigt wurden, wodurch eine Verringerung der Druckkraft, die auf den Zellenstapel 60 wirkt, verhindert werden kann. Da die Verringerung der Druckkraft, die auf den Zellenstapel 60 wirkt, verhindert wird, kann die auf den Zellenstapel 60 wirkende Druckkraft näher an den Bemessungsauslegungswert gebracht werden. Die Genauigkeit einer Brennstoffzellen-Zusammenbaulast kann somit leicht auf einem zufriedenstellenden Niveau gehalten werden. Zudem müssen die Verbindungsplatten 12 und die Endplatten 10, 11 nicht aus einem teuren Material, das schwer verformbar ist, hergestellt werden. Dies ermöglich einer Verringerung der Kosten und erhöht den Freiheitsgrad bei der Auswahl geeigneter Materialien.
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Die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft bringt eine Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 unter Verwendung einer Reaktionskraft auf, die auf den Zellenstapel 60 wirkt, wenn von der Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft eine Druckkraft auf den Zellenstapel 60 aufgebracht wird. Daher kann die Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle vereinfacht und abgespeckt werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform haben die Armabschnitte 31 der Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft die Haken 32 und die Verbindungsplatten 12 haben die Öffnungen 23. Alternativ können, wie in 9 gezeigt, die Armabschnitte 31 Öffnungen 80 haben und die Verbindungsplatten 12 können Haken 81 haben, die nach außen ragen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird nur die Befestigung der zweiten Endabschnitte 12b der Verbindungsplatten 12 und der zweiten Endplatte 11 durch Gesenkdrücken bzw. Stauchen erreicht. Zudem kann die Befestigung der ersten Endabschnitte 12a der Verbindungsplatten 12 und der ersten Endplatte 10 durch Gesenkdrücken bzw. Stauchen erzielt werden. In diesem Fall wird der Aufbau der Verbindungen zwischen den Verbindungsplatten 12 und der ersten Endplatte 10 vereinfacht, wodurch die Kosten verringert werden können. Die Verbindungsplatten 12 und die erste Endplatte 10 können mit einem anderen Verfahren aneinander befestigt werden.
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Die Verbindungsplatten 12 können einen anderen Aufbau haben. Beispielsweise kann, wie in 10 gezeigt ist, eine jede Verbindungsplatte 12 ausgestanzte Abschnitte 90 aufweisen. In diesem Fall kann das Gewicht der Verbindungsplatten 12 verringert werden.
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Die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft kann einen anderen Aufbau haben, der durch eine allgemein genutzte Technik realisiert werden kann, so lange die Vorrichtung 13 zum Aufbringen einer Zugkraft eine Zugkraft auf die Verbindungsplatten 12 aufbringen kann. In gleicher Weise kann die Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft einen anderen Aufbau haben, der durch eine allgemein genutzte Technik realisiert werden kann, so lange die Vorrichtung 14 zum Aufbringen einer Druckkraft eine Druckkraft auf den Zellenstapel 60 aufbringen kann. Die Fixiervorrichtung 15 ist nicht auf die Stauchvorrichtung beschränkt und kann die Verbindungsplatten 12 und die ersten und zweiten Endplatten 10, 11 vermittels eines anderen Verfahrens miteinander verbinden, bei dem Schrauben, Nieten oder dergleichen verwendet werden.
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Die Erfindung verhindert die Verformung von Verbindungselementen und Endplatten, wodurch die Verringerung einer Druckkraft, die auf einen Zellenstapel in einer Brennstoffzelle wirkt, verhindert werden kann.
