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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Zusammenbauverfahren dafür und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel und ein Zusammenbauverfahren dafür durch die Verwendung eines verbesserten Kompressionsrückhaltesystems während der Herstellung des Brennstoffzellenstapels.
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff in nutzbare Elektrizität über chemische Reaktion um. Ein signifikanter Vorteil eines derartigen Energieerzeugungsmittels besteht darin, dass er erreicht wird, ohne sich auf eine Verbrennung als einem Zwischenschritt zu verlassen. Somit besitzen Brennstoffzellen verschiedene Umweltvorteile gegenüber Brennkraftmaschinen (ICEs) und verwandten leistungserzeugenden Quellen. Bei einer typischen Brennstoffzelle - wie einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran oder Polymerelektrolytmembran (in jedem Fall PEM) - ist ein Paar katalysierter Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium (wie Nation™) getrennt. Die chemische Reaktion findet statt, wenn ein gasförmiges Reduktionsmittel (wie Wasserstoff, H2) in die Anode eingeführt und ionisiert wird und dann durch das ionendurchlässige Medium geführt wird, so dass es sich mit einem gasförmigen Oxidationsmittel (wie Sauerstoff, O2) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeführt worden ist; diese Kombination von Reaktanden bildet Wasser als ein Nebenprodukt. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des Wasserstoffs freigesetzt wurden, gelangen in der Form von Gleichstrom (DC) an die Kathode über eine externe Schaltung, die typischerweise eine Last aufweist, an der Nutzarbeit verrichtet wird. Die Leistungserzeugung, die durch diesen Fluss von DC-Elektrizität erzeugt wird, kann durch Kombinieren zahlreicher derartiger Zellen in eine größere Strom erzeugende Baugruppe erhöht werden. Bei einer derartigen Konstruktion sind die Brennstoffzellen in Reihe entlang einer gemeinsamen Stapelabmessung - ähnlich einem Kartenstapel - verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Derartige Stapel werden gewöhnlich unter einer Kompressionslast zusammengebaut, um die Brennstoffzellen abzudichten und die Reaktandenplatten, die Gasdiffusionsmedien und die Katalysatorelektroden, die die Brennstoffzelle ausmachen, zu sichern sowie einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen den Reaktandenplatten, den Gasdiffusionsmedien und den Elektrokatalysatoren beizubehalten. Bei einer Ausführungsform legt für eine fiktive Zellenoberfläche von etwa 100 in2 eine Soll-Kompressionslast an dem Brennstoffzellenstapel typischerweise im Bereich von etwa 80 bis 160 psi (d.h. etwa 40 bis 80 kN) abhängig von der Befeuchtung und wird durch eine Kompressionsrückhalteummantelung beibehalten, die als ein Gehäuse um den Brennstoffzellenstapel wirkt.
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Um die gewünschte Kompressionskraft herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel in einer Presse angeordnet, die eine Last auf den Stapel ausübt, wobei danach ein Kompressionsrückhaltesystem, das die vorher erwähnte Ummantelung aufweist, in Eingriff gebracht wird, die Presse entlastet wird und der Stapel unter einem Druck gehalten wird, der durch das in Eingriff stehende Kompressionsrückhaltesystem gehalten ist. In einigen Fällen kann das Kompressionsrückhaltesystem anschließend in einer separaten Ummantelung zur Umgebungsabdichtung angeordnet werden, während bei anderen ein Umhüllen von Seitentafeln und Endplatten jegliche notwendige Gehäuse- und Dichtfunktionen bereitstellen kann. In jedem Fall ist der umhüllte Brennstoffzellenstapel dann mechanisch und elektrisch an dem Fahrzeug oder der damit in Verbindung stehenden Vorrichtung gesichert.
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Bei der vorher erwähnten Konstruktion, bei der das Gehäuse durch eine Reihe von Seitentafeln und Endplatten definiert ist, weist es typischerweise auch Verbindungszugstangen oder -bügelelemente auf, um diese diskreten Komponenten zu verbinden wie auch eine Kompressionskraft auf die gestapelten Brennstoffzellen beizubehalten. Die Endplatten werden miteinander durch die Bügel oder Zugstangen komprimiert, die entlang der Fläche einer oder mehrerer der Seitentafeln montiert sind. Die Kompressionskraft wird durch Sichern der Zugstangen mit Schrauben oder damit in Verbindung stehenden Befestigungseinrichtungen gehalten, die sich normal zu der allgemein planaren Fläche der Seitentafeln erstrecken, so dass die Schrauben scherbelastet sind.
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Eine Integration von Brennstoffzellenstapeln in Kraftfahrzeugplattformen stellt eine herausfordernde Entwicklung für Konstrukteure von Brennstoffzellensystemen dar, was eine präzise Anordnung und Ausrichtung mit der Ausstattung der Anlagenperipherie (BOP von engl.: „balance of plant“) erfordert, die innerhalb des das Brennstoffzellensystem aufnehmenden Faches des Fahrzeugs angeordnet ist. In dem vorliegenden Kontext betrifft die BOP die Komponenten, die in dem Fahrzeug vorhanden sind, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Gebläse, Pumpen, Schläuche, Verdichter oder dergleichen, die für die Integration, Montage und Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels notwendig sind, die jedoch nicht Teil des Brennstoffzellensystems selbst sind. Eine derartige Integration fordert enge Abmessungstoleranzen des zusammengebauten Brennstoffzellenstapels.
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Eine Höhenabweichung im zusammengebauten Zustand entlang der Stapelrichtung (die als die Z-Achse in einem herkömmlichen kartesischen Koordinatensystem gedacht werden kann) kann in der Größe von 5 bis 10 % der Gesamtstapelhöhe liegen; die vorliegenden Erfinder haben Abweichungen von bis zu etwa ± 8 mm (oder 16 mm insgesamt) entlang der Stapelrichtung bemerkt. Derartige Abweichungen der Stapelhöhe machen es schwierig, einen Stapel so auszulegen, dass er konsistente wiederholbare Abmessungen besitzt. Dies behindert seinerseits eine anschließende BOP-Verbindung sowie Gesamtsystemanordnung in dem entsprechenden Fahrzeugraum. Somit wäre es vorteilhaft, ein Kompressionsrückhaltesystem bereitzustellen, das eine Höhenabweichung des Brennstoffzellenstapels innerhalb eng gesteuerter Grenzen hält.
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DE 11 2012 002 733 T5 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenbaugruppe, bei dem ein Zellenstapel, der eine Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen umfasst, und ein Gehäuse vorbereitet werden, welches dazu verwendet wird, den Zellenstapel aufzunehmen. Anschließend wird der Zellenstapel in dem Gehäuse angeordnet, so dass ein Ende des Zellenstapels in der Stapelrichtung dem Gehäuse über eine Druckplatte gegenüberliegt. Der Zellenstapel wird in dem Gehäuse in der Stapelrichtung durch Drücken auf die Druckplatte von außerhalb des Gehäuses mit Hilfe eines Drückelements zusammengedrückt und die Druckplatte wird in dieser Position mit dem durch das Drückelement zusammengedrückten Zellenstapel festgelegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gestapelte Reihe von Brennstoffzellen auf eine solche Weise zu komprimieren, dass Einstellungen an der Stapelhöhe durchgeführt werden können, während der Stapel in seinem komprimierten Zustand beibehalten wird, um im Wesentlichen die gewünschte Höhenabmessung des zusammengebauten Stapels zu erreichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 5, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- 1 zeigt eine Presse, die dazu verwendet ist, ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zusammenzubauen;
- 2 zeigt Einzelheiten eines Abschnitts der Presse von 1;
- 3 zeigt einen teilweisen Ausschnitt aus zusammengebautem Stapel und Kompressionsrückhalteummantelung;
- 4 zeigt eine detaillierte Ansicht einer Ecke des zusammengebauten Stapels und der Kompressionsrückhalteummantelung von 3, die das Einsetzen des Ausgleichsscheibenmaterials hervorhebt;
- 5 zeigt eine im Wesentlichen vollständige Baugruppe aus Stapel und Kompressionsrückhaltesystem wie auch eine mögliche Dichtungskonfiguration in der Form einer Umfangsdichtung; und
- 6 zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform für das in den 2 und 4 verwendete Ausgleichsscheibenmaterial.
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Zunächst Bezug nehmend auf die 1 und 2 ist die Verwendung einer Presse 10, um eine Kompression eines Brennstoffzellenstapels 100 zu erreichen, gezeigt. Die Presse 10 weist zahlreiche rahmenartige Elemente 20, eine Stange 30, eine Lastzelle 40, eine Baugruppenplattform 50, ein unteres Werkzeug 60, ein oberes Werkzeug 70 und einen oder mehrere Aktoren 80 auf. In dem vorliegenden Kontext können die einen oder mehreren dieser Pressenkomponenten und -abschnitte als ein Pressmittel gedacht werden; die präzise Beschaffenheit einer derartigen Pressung (beispielsweise direkter physischer Kontakt, Ansprechen auf eine größere Pressbewegung oder dergleichen) sind vom Kontext her offensichtlich. Beispielsweise kann ein oberes Werkzeug 70 - in Verbindung mit einer Form eines Aktors 80 - zur Ausführung einer Belastungs- und Kompressionsfunktion veranlasst werden, die zumindest teilweise von einer Belastungs- oder Kompressionsfunktion unabhängig ist, die durch andere bewegbare Pressenkomponenten ausgeführt wird. Beispielsweise kann die Bewegung des Werkzeugs 70 (wie auch der folgenden Last, die auf den Stapel 100 aufgebracht ist) unabhängig von der Presse 10 ausgeführt werden, die für die Anordnung und anschließende gesicherte Befestigung einer Umgebungsummantelung 150 (wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist) an dem Stapel 100 verantwortlich ist. Bei einer anderen Form braucht die Bewegung des Abschnitts der Presse 10, der für das Absenken der Ummantelung auf den Stapel verantwortlich ist, möglicherweise kein signifikantes Kompressionsvermögen erfordern, da das Gewicht der Ummantelung 150 ausreichend sein kann, um zu ermöglichen, dass Schwerkraft den notwendigen Kontakt zwischen beiden herstellt. Bei einer solchen Konfiguration kann eine andere Form eines Aktors 80 mit der Ummantelung 150 zusammenwirken, um seine vertikale Bewegung während der sicheren Platzierung zwischen diesen und dem Brennstoffzellenstapel 100 zu steuern. Ferner sei dem Fachmann angemerkt, dass andere Komponenten, wie ein programmierbarer Controller sowie Zubehörausstattung (von denen keine gezeigt sind) ebenfalls enthalten sein können, um die gewünschten Kompressions- und Zusammenbaufunktionen der Presse 10 zu unterstützen. Gleichermaßen kann ein linear variabler Anzeigesatz (auch als ein linear variabler Differenzwandler bezeichnet, nicht gezeigt) zum Ablesen, Ermitteln oder anderweitigen Bestimmen der Höhe eines komprimierten Stapels von Brennstoffzellen in Verbindung mit der Lastzelle 40 und anderen Komponenten verwendet werden, um Information darüber bereitzustellen, wie viel Dicke (wenn überhaupt) an Ausgleichsscheiben (auch als Ausgleichsscheibenmaterial bezeichnet) notwendig ist, um die negativen Abweichungen von einer idealen oder als Ziel festgelegten komprimierten Stapelhöhe auszugleichen.
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Obwohl es nicht detailliert gezeigt ist, besteht der Stapel 100 aus zahlreichen einzelnen (und allgemein planaren rechtwinkligen beutelartigen) Brennstoffzellen 130, die in einer zugewandten, benachbarten Beziehung ähnlich einem Kartenstapel angeordnet sind, wobei jede Zelle 130 eine im Wesentlichen planare PEM, eine Anodenkatalysatorschicht in zugewandtem Kontakt mit einer Seite der PEM und eine Kathodenkatalysatorschicht in Kontakt mit der gegenüberliegenden PEM-Seite aufweisen kann. Gemeinsam werden die PEM und die Katalysatorschichten als die Membranelektrodenbaugruppe (MEA) bezeichnet. Eine Anodendiffusionsschicht ist in zugewandtem Kontakt mit der Anodenkatalysatorschicht angeordnet, während eine Kathodendiffusionsschicht in zugewandtem Kontakt mit der Kathodenkatalysatorschicht angeordnet ist. Jede der Diffusionsschichten besteht aus einem allgemein porösen Aufbau, um einen Durchgang gasförmiger Reaktanden zu den Katalysatorschichten zu unterstützen. Wie dem Fachmann bekannt sei, werden die Anodenkatalysatorschicht und die Kathodenkatalysatorschicht als Elektroden bezeichnet und können als separate getrennte Schichten, wie gezeigt ist, geformt sein, oder können bei der Alternative als zumindest teilweise in die jeweiligen Diffusionsschichten eingebettet wie auch teilweise in gegenüberliegende Flächen der PEM eingebettet sein. Es sei dem Fachmann auch angemerkt, dass Varianten dieser und anderer Konstruktionen jeder Brennstoffzelle 130 und begleitenden Ausstattung (wie Dichtungen, Rahmen oder dergleichen) mit dem Stapel 100 kompatibel sind. Bei einer Form besitzt der Stapel 100 die vorher erwähnten gegenüberliegenden Endplatten 110 und 120 (die oftmals einem feuchten Ende und einem trockenen Ende abhängig von der Stapelorientierung des Stapels 100 zugeordnet sind), die dazu verwendet werden, die oberen und unteren Grenzen des Stapels 100 allgemein zu definieren. Sobald die einzelnen Zellen 130, die den Stapel 100 bilden, angeordnet und ausgerichtet sind, kann die Presse 10 in Verbindung mit der Umgebungsummantelung 150 verwendet werden, um eine im Wesentlichen vollständige Stapelbaugruppe zu bilden.
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Bezeichnenderweise wirkt die Ummantelung 150 - in Verbindung mit den optional platzierten Ausgleichsscheiben 140, die nachfolgend detaillierter diskutiert sind -, um das Kompressionsrückhaltesystem (hier auch als Stapelkompressionssystem, Kompressionsrückhaltevorrichtung oder dergleichen bezeichnet) 200 der vorliegenden Erfindung zu bilden. Anstatt sich auf zahlreiche diskrete Seitentafeln zu verlassen, um einen allgemein rechtwinkligen Kasten zu definieren, ist die Umgebungsummantelung 150 bevorzugt aus einem einheitlichen Aufbau geformt, um die Probleme einer zusammengebauten Ummantelung, die aus diskreten verbindbaren Komponenten besteht, zu vermeiden. Auf diese Weise sind die Innenabmessung der Ummantelung 150 bekannt, und es ist auf diese Innenabmessungen (insbesondere die Höhenabmessung der Flansche, Schultern oder anderer verwandten Aufbauten, mit denen die benachbarten Abschnitte des Oberteils des komprimierten Stapels 100 in Eingriff stehen) zurückzuführen, dass die Zielhöhe (hier auch als vorbestimmte Höhe) des Stapels 100 so ausgelegt ist, dass sie passt. Gleichermaßen sind die starren Endplatten 110, 120 des Stapels 100 fest an den jeweiligen unveränderlichen Abmessungen der Umgebungsummantelung 150 als eine Weise fest gesichert, um zu helfen, konsistente, wiederholbare Abmessungen der fertiggestellten Stapelbaugruppe sicherzustellen. In diesem Kontext können die Endplatten 110 und 120 als die Schnittstelle zwischen dem Stapel 100 und dem Kompressionsrückhaltesystem 200 als ein Weg gedacht werden, die Kompressionskraft aufzunehmen. Bezeichnenderweise helfen die Ausgleichsscheiben 140, jegliche Spalte zwischen der obersten Fläche des Stapels 100 und den unveränderlichen Abmessungen der entsprechenden Innenflächen der Umgebungsummantelung 150 zu überbrücken; auf diese Weise wird eine sichere Passung zwischen dem Stapel 100, den Endplatten 110, 120 und der Umgebungsummantelung 150 gebildet. In dem vorliegenden Kontext ist eine sichere Passung eine, bei der Spalte oder verwandte Herstelltoleranzen (wie eine begleitende zusammengebaute Höhenabweichung entlang der Stapelrichtung), die ansonsten zwischen dem Stapel und den Fügeflächen der Ummantelung 150 vorhanden sein können, im Wesentlichen reduziert oder beseitigt sind, um eine vorhersagbare, wiederholbare Anordnung der Stapelbaugruppe in die Fahrzeug-BOP sicherzustellen. Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eine der Endplatten (beispielsweise die Endplatte 110) derart konfiguriert, eine Integration mit der BOP und Fahrzeugmontageaufbauten bereitzustellen. Überdies können die Endplatten 110 und 120 durch beliebige bekannte Mittel hergestellt werden, einschließlich Prägen, Formen, Strangpressen oder dergleichen, und können aus einem strukturell geeigneten Material, wie Aluminium oder seinen Legierungen, hergestellt sein. Die Endplatten (auch als Endkappen bezeichnet) 110 und 120 wirken als Bauelemente, die in der Lage sind, die Kompressionskraftpresse 10 ohne Verformung aufzunehmen. Gleichermaßen wird die Umgebungsummantelung 150 bevorzugt aus einem vergleichbar geeigneten Material hergestellt, wie dem oben erwähnten Aluminium oder seinen Legierungen, und kann dünnwandig mit selektiven Steifigkeits- oder Starrheitsverbesserungen ausgebildet sein, wie einem diamantförmigen Rippenmuster, das in den Figuren gezeigt ist.
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Bedeutsamerweise (wie nachfolgend diskutiert ist) besitzt die Umgebungsummantelung 150 eine allgemein rechteckige Durchbrechung 150A, die in ihrer oberen planaren Fläche geformt ist. Eine Fläche der Durchbrechung 150A ist kleiner als eine Fläche der Endplatte 120, die an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Die große Größe der Auflagefläche, die durch die Durchbrechung 150A definiert ist, relativ zu der Stange 30 und der Lastzelle 40 der Presse 10 macht es leicht, die Umgebungsummantelung 150 aufwärts und abwärts der Stapelachse zu bewegen, ohne mit dem Stapel 100, der Stange 30 und Lastzelle 40 in Kontakt zu treten oder diese anderweitig zu stören.
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Bezug nehmend besonders auf 2 unterstützen die strukturell starren Attribute der Endplatte 110 (derzeit nicht gezeigt) und der Endplatte 120 eine relativ gleichmäßige Verteilung der Kompressionskraft über die Fläche des Stapels 100. Im Betrieb verleiht die Stange 30 (bei einer auferlegten Kraft von einem oder mehreren rahmenartigen Elementen 20) eine Kompressionslast zwischen etwa 40 kN und 80 kN abhängig (wie oben erwähnt ist) von dem Niveau an Befeuchtung (und folglichem Anschwellen der Zelle) zu der oberen Endplatte 120 des Stapels 100 entlang der axialen (d.h. Stapel-)Abmessung A des Stapels 100. Die Lastzelle 40 kann dazu verwendet werden, um sicherzustellen, dass der richtige Kraftbetrag durch die Stange auf die Endplatte 120 aufgebracht wird; bei einer Form umfasst die Lastzelle 40 Rückkopplungsattribute für den Controller (nicht gezeigt), um das Erzielen einer geeigneten Last, Verstellung oder verwandte Parameter sicherzustellen. Wie oben erwähnt ist, kann ein variabler linearer Anzeigesatz oder eine verwandte Vorrichtung verwendet werden, um zu bestimmen, wie eng ein bestimmter komprimierter Stapel an Abmessungs- (insbesondere Stapelhöhen-)Konstruktionszielen liegt. Die Lastzelle 40 und die Stange 30 sind mit dem allgemein rechtwinkligen oberen Werkzeug 70 gekoppelt, um die Kompressionslast auf den Stapel von Zellen 130 durch die Endplatte 120 zu übertragen. Das obere Werkzeug 70 definiert eine äußere Umfangsabmessung, die eine Kompressionsauflagefläche bildet, die mit dem Oberteil des Stapels 100 (wie der oberen Endplatte 120) in Eingriff steht, um die notwendige Kompressionskraft bereitzustellen, während gleichzeitig eine Kompressionslastübertragung auf Ausgleichsscheiben 140 vermieden wird; eine derartige Vermeidung ist auf die größere Auflagefläche zurückzuführen, die durch die vorher erwähnte Durchbrechung 150a der Umgebungsummantelung 150 und die Durchbrechung 140A (in Verbindung mit 4 unten gezeigt und diskutiert) geformt ist, die bei einer Umfangsanordnung der Ausgleichsscheiben 140 definiert ist.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3 und 4 weist eine im Wesentlichen vollständige Stapelbaugruppe 300 den Stapel 100 auf, der von dem Kompressionsrückhaltesystem 200 umschlossen ist. Die Baugruppe 300 ist in einem teilweisen Ausschnitt davon gezeigt, um die Wechselwirkung der Brennstoffzellen 130 und Endplatten 110, 120 mit den Ausgleichsscheiben 140 und dem Flansch 150F der Umgebungsummantelung 150 zu betonen. Dies hilft sicherzustellen, dass - nach dem Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels 100, jedoch vor seiner Einsetzung in den entsprechenden Fahrzeugraum - die Außenabmessung der Stapelbaugruppe 300 konsistent und wiederholbar ist, um die gewünschte Reduzierung oder wesentliche Beseitigung der oben erwähnten Stapelhöhenvariation zu unterstützen. Feuchte, Temperatur und andere Umgebungsparameter können Faktoren in dem Betrag des Anschwellens der Zellenmembran darstellen. Dies, gekoppelt mit der großen Anzahl in einigen Fällen bis zu dreihundert oder mehr an einzelnen Zellen 130 pro Stapel bedeutet, dass der kumulative Effekt von sogar sehr geringen dicken Abweichungen in diesen Komponenten sich zu einem Betrag zwischen 5 und 10 Prozent Abweichung (was bis zu 16 mm an Höhenabweichung entsprechen kann, wie oben erwähnt ist) des gesamten Stapels 100 aufsummieren kann. Da diese signifikanten Abweichungen einen schädlichen Einfluss auf die nachfolgenden BOP-bezogenen Montagebetriebsabläufe haben, ist der Bedarf nach Verständnis und Kompensation derartiger Abweichungen entlang der Stapelachse, um eine korrekte endgültige gestapelte Abmessung sicherzustellen, von größter Wichtigkeit. Insbesondere in Situationen, bei denen die Höhe des komprimierten Stapels 100 bei (oder geringfügig über) seiner Zielhöhe liegt, ist kein Spalt zwischen dem Oberteil des Stapels 100 und der Fügefläche der Ummantelung 150 vorhanden, was bedeutet, dass (und unter Annahme, dass die Drücke an jeder der Zellen 130 nicht übermäßig sind) die komplette endgültige Baugruppe, die den Stapel 100 und die Ummantelung 150 aufweist, beide die gewünschten Außenabmessungen - wodurch eine Vereinfachung der Integration mit BOP-Ausstattung sichergestellt wird - und das geeignete Niveau an sicherer innerer Passung sogar ohne die Anwesenheit zusätzlicher Ausgleichsscheiben besitzen. Wenn andererseits die zusammengebaute und komprimierte Höhe des Stapels 100 kleiner als das Nennziel ist, kann ein Spalt G zwischen der unteren Fläche der Ummantelung (derzeit in 4 durch die untere Fläche des Flansches 150F gezeigt) und des Stapels 100 (beispielsweise die obere Fläche der oberen Endplatte 120) vorhanden sein. In diesem Fall erlaubt die Erfindung ein Einsetzen einer oder mehrerer Ausgleichsscheiben 140, ohne die Kompressionskräfte von dem Stapel 100 entlasten zu müssen oder anderweitig einen der Zusammenbauschritte umzukehren, die bis zu der Bestimmung der Anwesenheit des Spaltes G unternommen worden sind. Bei einer Form kann die Bestimmung, ob ein solcher Spalt G vorhanden ist, mit der Unterstützung automatisierter Mittel durchgeführt werden, wie dem vorher erwähnten linearen variablen Anzeigesatz und der Lastzelle 40.
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Im Vergleich zu bekannten Kompressionsrückhaltesystemen, die Zugstangen, Seitenplatten, Metallbänder oder dergleichen verwenden, sieht die vorliegende Erfindung die Platzierung des komprimierten Stapels 100 in eine starre strukturelle Ummantelung 150 mit einer Außenabmessung vor, die nicht variabel ist, um eine Vereinfachung der Montage und Integration von Fahrzeug-BOP zu unterstützen. Somit erlaubt die Vorgehensweise der vorliegenden Offenbarung, dass die Verbindung zwischen der Umgebungsummantelung 150 und der Bodenendplatte 110 über Schrauben oder verwandte Befestigungseinrichtungen 155 gesichert wird, die in einer erwünschteren Zugrichtung (d.h. entlang der Stapelachse) belastet sind, als in einer Gleit-/Scherrichtung. Dies beseitigt im Wesentlichen die Probleme in Verbindung mit schwebenden Endplatten (insbesondere an dem sogenannten unteren oder feuchten Ende, wo eine Integration mit Fahrzeug-BOP oftmals eine Systemkomplexität bestimmt), während unerwünschte scherungsbasierte Sicherungsmechanismen und verwandter struktureller Aufbau vermieden wird, die aus dem Gebrauch von gleitend einstellbarer Verstärkung entlang der Seiten der diskreten Komponenten entstehen, die eine herkömmliche kastenartige Ummantelung ausbilden. Somit können die Befestigungseinrichtungen 155 und die Bodenendplatte 110 entweder als Teil des Kompressionsrückhaltesystems 200 oder mit diesem Zusammenwirken gedacht werden.
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Ferner kann, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, die vollständige Stapelbaugruppe (einschließlich der Umgebungsummantelung 150) vereinfachte Dichtungsfunktionen aufweisen, die nicht nur eine Reduzierung der Teilezahl betreffen, sondern auch in der Lage sind, größere Differenzen des Dichtungsdruckes auszuhalten. Wie insbesondere in 3 gezeigt ist, können zahlreiche Einlässe, Auslässe und Verteiler in einer Umgebungsummantelung 150 gebildet sein, um zusätzliche strukturelle Merkmale bereitzustellen, um eine Förderung von Reaktand und Kühlmittel, einen Fluss von elektrischem Strom von den Sammelschienen B wie auch einen Diagnose- und Wartungszugriff, neben anderen, zu unterstützen. Bei einer Form können diese Zugriffspunkte in der Form von Durchbrechungen 150SA vorliegen, die in eine oder mehrere der Seitenwände 150S der Ummantelung 150 geformt sind. Wie an anderer Stelle hier diskutiert ist, können die vielen Durchbrechungen einen Nutzen aus einer strukturell verbesserten Dichtungskonfiguration ziehen.
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Insbesondere erlaubt, wie in der oberen rechten Ecke des umschlossenen Stapels von 3 gezeigt ist, eine besondere strukturelle Konfiguration der Umgebungsummantelung 150 und oberen Endplatte 120 des Kompressionsrückhaltesystems 200 die symbiotische geordnet kompressive Baugruppe der verschiedenen Zellen 130 des Brennstoffzellenstapels 100. Insbesondere Bezug nehmend auf 4 kann zumindest die obere Endplatte 120 - bei Entfernung der Abdeckung 160, die normalerweise nur dann hinzugefügt ist, sobald der Stapel 100 und die Ummantelung 150 aneinander befestigt sind - zu der benachbarten unteren Fläche des oberen Werkzeugs 70 der 1 und 2 durch eine im Wesentlichen rechtwinklig geformte Durchbrechung 140A frei liegen, die durch die Anordnung der Ausgleichsscheiben 140 um den Umfang der oberen Fläche der oberen Platte 120 geformt ist. Bei einer Form definieren die durch die Platzierung der Ausgleichsscheiben 140 geformten Durchbrechungen 140A etwa die gleich bemessene Auflagefläche wie die allgemein kollineare und benachbart platzierte Durchbrechung 150A der Umgebungsummantelung 150, und während die präzise Größe einer relativ zu der anderen nicht kritisch ist (solange wie der gewünschte kompressive Kontakt zwischen diesen beibehalten wird, um zu ermöglichen, dass Kompressionslasten durch diese an das Oberteil der oberen Endplatte 120 übertragen werden), muss die Auflagefläche, das sie definieren, groß genug sein, um den unbehinderten Durchgang des oberen Werkzeugs 70 entlang der Stapelachse zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die von der Stange 30, der Lastzelle 40 und dem oberen Werkzeug 70 gelieferte Kompressionslast gleichmäßig über die Seite des Stapels 100 übertragen werden, die von einer Fläche innerhalb der X-Y-Ebene, die in 3 gezeigt ist, definiert ist, während gleichzeitig die Einführung oder Entfernung einer oder mehrerer Ausgleichsscheiben 140 (falls notwendig) als ein Weg zugelassen wird, um eine vorbestimmte Höhe des komprimierten Stapels 100 herzustellen, sogar während die Kompressionslast von der Presse 100 weiterhin angewendet wird. Innerhalb des vorliegenden Kontexts ist eine Oberfläche des Stapels 100 so definiert, dass sie allgemein mit der größten planaren Abmessung der Zellen 130 übereinstimmt. Insbesondere kann durch Aufbringen der Kompressionsbelastung auf die obere Platte 120 und den darunterliegenden Stapel 100, während gleichzeitig die Kompressionsbelastung der optionalen Ausgleichsscheiben 140 vermieden wird, der Stapel 100 in einen im Wesentlichen komprimierten Zustand beibehalten werden, während der Zusatz oder die Entfernung der Ausgleichsscheibe 140 unternommen werden kann, wodurch der Gesamtprozess der Formung der vollständigen Stapelbaugruppe 300 signifikant vereinfacht wird.
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Es ist auch signifikant, dass, da die Umgebungsummantelung 150 aus einem starren einheitlichen Aufbau mit einer oberen Durchbrechung 150A, die mit dem oberen Werkzeug 70 ausgerichtet ist, und einer Durchbrechung 140A besteht, die durch die Ausgleichsscheiben 140 und das Oberteil des Stapels 100 definiert ist, die anschließende Platzierung der Umgebungsummantelung 150 an dem komprimierten Stapel 100 mit der Gewährleistung erfolgt, dass die fertiggestellte Baugruppe an die präzisen Außenabmessungen (einschließlich der kritischen Höhenabmessung), die durch die starre Beschaffenheit der Umgebungsummantelung 150 hergestellt ist, passt. Somit funktioniert die allgemein rechtwinklige Durchbrechung 150A auf eine Weise ähnlich der Durchbrechung 140A derart, dass, wenn beide im Wesentlichen so ausgerichtet sind, dass die Stapelachse normal durch diese vorragt, sie die kompressive Last zu dem Stapel 100 zulassen, während gleichzeitig der Umfangsbereich, der durch die Ausgleichsscheiben 140 definiert ist, in einem nicht komprimierten Zustand zurückbleibt, wodurch die Vereinfachung des Einsetzens, der Entfernung, der Platzierung oder anderer verwandter Betriebsabläufe der Ausgleichsscheibe 140 unterstützt wird, die notwendig sind, um sicherzustellen, dass die endgültige Höhe des Stapels 100 sowohl innerhalb von Konstruktionstoleranzen bleibt als auch in der Lage ist, in das Volumen zu passen, das von der Umgebungsummantelung 150 definiert ist.
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In dem vorliegenden Kontext bedeutet der Begriff „durchbrechen“, dass nicht nur diejenigen Durchgänge eingeschlossen sind, die von einem im Wesentlichen kontinuierlichen bilderrahmenartigen Umgebungsaufbau in den Ausgleichsscheiben 140 oder Umgebungsummantelung 150 definiert ist, sondern auch solche, bei denen seitliche Brüche in einem derartigen Aufbau vorhanden sein können (wie denen, die einen Zugriff durch die Seite der jeweiligen Ausgleichsscheiben oder Ummantelung erlauben); alle Varianten, die dennoch sowohl die Struktur der jeweiligen Komponente als auch das nicht behinderte kompressive Zusammenwirken zwischen dem Werkzeug 70 und der oberen Endplatte 120 des Stapels 100 bewahren, werden als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. Gleichermaßen sind in dem vorliegenden Kontext Begriffe, die einen Kontakt, eine Kooperation oder verwandte Wechselwirkung zwischen dem Stapel 100 und der Kompressionsrückhaltevorrichtung 200 bezeichnen, so zu verstehen, dass alle jeweiligen Komponenten enthalten sind, ungeachtet dessen, ob ein direkter zugewandter Kontakt enthalten ist. Somit kann eine Kooperation zwischen der Presse 10 und dem Stapel 100 durch einen direkten Kontakt zwischen der unteren Fläche des oberen Werkzeugs 70 und der oberen Fläche der oberen Endplatte 120 bewirkt werden, wobei eine Isolatorplatte 125 zwischen der unteren Fläche der oberen Endplatte 120 und einer zugewandt benachbarten oberen Fläche des Stapels 100 platziert sein kann, um eine elektrische und thermische Isolierung zwischen diesen zu unterstützen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 5 in Verbindung mit 4 kann ein Brennstoffzellensystem, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, eine Umgebungsabdichtung auf eine Vielzahl von Wegen bereitstellen, einschließlich den Gebrauch signifikant einfacher, kontinuierlicher, an der Stelle pressbare „Bilderrahmen“-artige Flächendichtungen 170 aus der planaren Wechselwirkung zwischen einer oberen Fläche in der oberen Endplatte 120 und einer unteren Fläche einer Abdeckung 160, die eine Durchbrechung in der Umgebungsummantelung 150 bildet. Eine Seitendurchbrechung 150SA ist in einer oder mehreren der Seitenwände 150S der Umgebungsummantelung 150 gebildet. Die Durchbrechung 150SA unterstützt die Vereinfachung eines Nutzerzugriffs, um eine Diagnoseprüfung und verwandte Funktionen zu ermöglichen. Wie bei anderen Durchbrechungen, die in der Umgebungsummantelung 150 gebildet sind, können Dichtungen (wie Dichtung 170 von 4) um den Durchbrechungsumfang enthalten sein. Bezeichnenderweise weist die Befestigung zwischen der Ummantelung 150 und der unteren Endplatte 110 die Bildung einer Gewindebefestigung zwischen den beiden unter Verwendung von Schrauben 155 auf. Insbesondere definiert die untere Endplatte 110 eine Mehrzahl von um den Umfang beabstandeten Vorsprüngen 110B, um einen vertikal orientierten Gewindepfad 110P darin zu definieren, der sich durch die Dicke, die durch die Vorsprünge 110B definiert ist, erstreckt und so bemessen ist, Schrauben 155 aufzunehmen. Komplementär beabstandete und bemessene vertikal orientierte Gewindepfade 150P, die in den Vorsprüngen 150B der Ummantelung geformt sind, werden in Verbindung mit den Schrauben 155 verwendet, um eine befestigte Verbindung zwischen der Ummantelung 150 und der unteren Endplatte 110 zu unterstützen. Während des Zusammenbaus wird die Ummantelung 150 zu der unteren Endplatte 110 durch die Schraubwirkung der Schrauben 155 in die vertikal orientierten Gewindepfade 110P und 150P in Ansprechen darauf gezogen oder gedehnt, dass der Flansch 150F der Ummantelung 150 die Ausgleichsscheiben 140 und die Brennstoffzellen 130 abwärts drückt. Auf eine ähnliche Weise kann diese Spannungsbeladung zwischen der Ummantelung 150 und der unteren Endplatte 110 durch die Schrauben 155 erreicht werden, wenn der Brennstoffzellenstapel 100 dadurch belastet ist, dass er abwärts gezogen wird. Eine ähnliche Gewindeanordnung wird zwischen den Vorsprüngen 160B, die in der Abdeckung 160 geformt sind, und Vorsprüngen 150B, die um das Oberteil der Ummantelung 150 beabstandet sind, verwendet. Somit sind, wenn der Stapel 100 kompressiv belastet wird (zuerst durch die Presse 10 und anschließend durch die Kompressionsrückhaltevorrichtung 200, die aus der Ummantelung 150 und den Ausgleichsscheiben 140 besteht, die mit der unteren Endplatte 110 zusammenwirken) es die Gewindebolzen 155, die spannungsbelastet sind, um dieser Kraft entgegenzuwirken, die eine verbesserte strukturelle Kapazität relativ zu Konfigurationen bereitstellt, bei denen eine derartige Befestigung durch die Dicke einer oder mehrerer Seitentafeln erfolgt und in einer weniger erwünschten Scherbelastung resultiert.
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In der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die insbesondere in 6 gezeigt ist, wird die Spaltfüllung durch die Platzierung von L-förmigen Ausgleichsscheiben 142 erreicht, die um den Umfang der quadratischen Durchbrechung 150A platziert sind, die in dem oberen Teil der Ummantelung 150 geformt ist. Ferner spricht, obwohl die Ausgleichsscheiben 142 (wie auch die Ausgleichsscheiben 140, die in den Fig. und 4 gezeigt sind) derzeit mit im Wesentlichen gemeinsamen Dicken gezeigt sind, nichts dagegen, das den Gebrauch einer Kombination relativ dicker Ausgleichsscheiben und relativ dünner Ausgleichsscheiben verhindern würde, um den gewünschten Grad des Schließens des Spaltes G zu erreichen. Mit den L-förmigen Varianten im Besonderen ist es leicht, eine kontinuierliche Kontaktfläche um einen wesentlichen Umfang der Durchbrechung 150A zu bilden.
