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Vorliegende Technologie betrifft eine Stapelvorrichtung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Stapelvorrichtung.
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Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik umfassen eine Vielzahl an einzelnen, gestapelten Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
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Im Stand der Technik werden alle Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einer Pressvorrichtung komprimiert und in dem komprimierten Zustand mittels zwei Endplatten und entsprechenden Zugelementen zusammengehalten.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Stapelvorrichtung anzugeben, die eine effiziente Herstellung eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Stapelvorrichtung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels aus mehreren Teilstapeln. Der einzelne Teilstapel umfasst mehrere gestapelte Stapelelemente zumindest einer Brennstoffzelle und ggf. auch weitere Stapelelemente, wie z.B. Endplatten, Stromabnehmerplatten oder Isolatorplatten. Zu den Stapelelementen einer Brennstoffzelle zählen insbesondere die Separatorplatten bzw. Bipolarplatten und Membranelektroden-Einheiten. Die Membranelektroden-Einheiten sind insbesondere in entsprechenden Rahmen eingesetzt. Der einzelne Teilstapel enthält mehrere dieser Stapelelemente von zumindest einer Brennstoffzelle, vorzugsweise von mehreren Brennstoffzellen.
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Mehrere gestapelte Teilstapel bilden einen Gesamtstapel. Der Gesamtstapel aus Brennstoffzellen, mit etwaigen zusätzlichen Stapelelementen, beispielsweise Stromabnehmerplatten, Isolatorplatten und Endplatten, bildet den Bren n stoffzellenstapel.
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Die hier vorgestellte Stapelvorrichtung dient zur Aufnahme eines Teilstapels. Zur Herstellung des Gesamtstapels werden mehrere der Stapelvorrichtung mit darin aufgenommenen Teilstapeln übereinander bzw. aneinander gestapelt.
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Die Stapelvorrichtung umfasst einen Rahmen zur Aufnahme eines Teilstapels mit mehreren entlang einer Stapelachse gestapelten Stapelelementen. Der Rahmen umgibt den Teilstapel am Umfang, sodass der Rahmen den Teilstapel bezüglich zur Stapelachse senkrechten Richtungen fixiert. Insbesondere fixierte der Rahmen den Teilstapel bezüglich aller zur Stapelachse senkrechten Richtungen. Üblicherweise sind die einzelnen Stapelelemente bzw. Brennstoffzellen und somit auch der Teilstapel in der zur Stapelachse senkrechten Ebene rechteckig. Somit weist vorzugsweise auch der Rahmen in der zur Stapelachse senkrechten Ebene einen rechteckigen Querschnitt auf. Die beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Rahmens sind offen. Diese beiden Stirnseiten liegen senkrecht zur Stapelachse. Die Öffnung der beiden Stirnseiten entspricht der Fläche des einzelnen Stapelelements bzw. der einzelnen Brennstoffzelle, sodass die Stapelelemente exakt in die offene Stirnseite und somit in den Rahmen passen. Der Rahmen ist insbesondere so eng, dass die Stapelelemente in jeder zur Stapelachse senkrechten Richtung innerhalb des Rahmens annähernd nicht beweglich sind.
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Des Weiteren umfasst die Stapelvorrichtung zumindest ein Halteelement an der einen Stirnseite und ein Halteelement an der anderen Stirnseite. Vorzugsweise können an jeder Stirnseite auch mehrere der Halteelemente angeordnet werden. Das jeweilige Halteelement ist am Rahmen beweglich angeordnet. Das Halteelement ist in einer zur Stapelachse senkrechten Ebene beweglich und kann dadurch wahlweise in eine Halteposition und eine Freigabeposition bewegt werden.
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In der Halteposition liegt das jeweilige Halteelement auf einem der beiden äußeren Stapelelemente (beispielsweise Bipolarplatte) oder ggf. auf einem weiteren Stapelelement (beispielsweise Stromabnehmerplatte) des Teilstapels auf. In dieser Position ragt das Halteelement vom Rahmen senkrecht zur Stapelachse in die Mitte des Rahmens und liegt dadurch auf dem entsprechenden Stapelelement auf. Somit fixiert das Halteelement an der jeweiligen Stirnseite den Teilstapel bezüglich einer Bewegung parallel zur Stapelachse. Die zumindest zwei Halteelemente an den gegenüberliegenden Stirnseiten fixieren den Teilstapel innerhalb des Rahmens, sodass der Teilstapel in beiden zur Stapelachse parallelen Richtungen relativ zum Rahmen nicht bewegt werden kann.
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Insbesondere ist die Höhe des Rahmens parallel zur Stapelachse und die Ausgestaltung der Halteelemente so gewählt, dass der Teilstapel in einem komprimierten Zustand exakt zwischen die beiden Stirnseiten und somit zwischen die zumindest zwei gegenüberliegenden Halteelemente passt.
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In der Freigabeposition liegt das jeweilige Halteelement nicht mehr auf dem Teilstapel bzw. äußeren Stapelelement auf. In diesem Zustand ist der Teilstapel an der jeweiligen Stirnseite bezüglich einer Bewegung parallel zur Stapelachse freigegeben.
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Wie anhand eines Verfahrens noch genauer beschrieben wird, können mehrere der Stapelvorrichtungen mit darin aufgenommenen, komprimierten Teilstapeln entlang der Stapelachse übereinander bzw. aneinander gestapelt werden. Mit dem Stapeln oder nach dem Stapeln werden die Halteelemente in ihre Freigabeposition bewegt. Dabei werden die Halteelemente zwischen zwei Stapelelementen (die äußeren Stapelelemente zweier aneinander liegender Teilstapel) herausgezogen. Dadurch liegen die Teilstapel direkt aufeinander und bilden den Gesamtstapel des Brennstoffzellenstapels.
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Im Folgenden werden unterschiedliche Ausgestaltungen und Anordnungen des Halteelements beschrieben. Diese Ausgestaltungen und Anordnungen können auch innerhalb einer Stapelvorrichtung kombiniert werden, sodass die Halteelemente einer Stapelvorrichtung unterschiedlich ausgestaltet bzw. angeordnet sind.
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Vorzugweise ist vorgesehen, dass das Halteelement linearbeweglich am Rahmen befestigt ist. Für die Bewegung zwischen der Freigabeposition und der Halteposition wird das Halteelement linearbeweglich und senkrecht zur Stapelachse bewegt. Vorzugsweise sind an jeder Stirnseite zumindest zwei gegenüberliegende linearbewegliche Halteelemente vorgesehen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Halteelement drehbar am Rahmen befestigt ist. Die Drehachse steht dabei insbesondere parallel zur Stapelachse. Das Halteelement kann so wahlweise in die Freigabeposition und die Halteposition gedreht werden. Auch eine kombinierte Linear- und Drehbewegung des Halteelements ist möglich.
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Zur Beschreibung der Größe des Halteelements ist eine lichte Weite des Rahmens definiert. Die lichte Weite wird senkrecht zur Stapelachse an der Seite gemessen, an der sich auch das entsprechende Halteelement befindet. Am Halteelement ist eine Elementbreite parallel zur lichten Weite definiert. Die Elementbreite wird an der breitesten Stelle des mit dem Stapelelement überlappenden Anteils des Halteelements in der Halteposition gemessen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Elementbreite zumindest 10 %, insbesondere zumindest 30 %, besonders vorzugsweise zumindest 50 %, der lichten Weite beträgt. Die hier definierte lichte Weite entspricht im Wesentlichen der Zellenbreite des einzelnen Stapelelements bzw. der Brennstoffzellen, gemessen senkrecht zur Stapelachse. So kann auch definiert werden, dass die Elementbreite zumindest 10 %, insbesondere zumindest 30 %, besonders vorzugsweise zumindest 50 %, dieser Zellenbreite beträgt.
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Senkrecht zur Elementbreite und senkrecht zur Stapelachse ist am Halteelement eine Überlappungslänge definiert. In der Halteposition überlappt das Halteelement mit dem Stapelelement mit dieser Überlappungslänge. Vorzugsweise ist die Überlappungslänge relativ klein ausgestaltet, sodass das Halteelement radial außerhalb der äußeren Dichtungslinie der Brennstoffzelle aufliegt.
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Wie bereits beschrieben, umgibt der Rahmen den Teilstapel am Umfang, sodass der Rahmen den Teilstapel bezüglich zur Stapelachse senkrechten Richtungen fixiert. Es verbleibt somit annähernd kein Spalt zwischen Teilstapel und Rahmen. So kann, unabhängig vom Stapelement, definiert werden, dass das Haltelement in der Haltepostion mit der Überlappungslänge über den Rahmen hinaus nach innen ragt. Für die Freigabeposition kann das Haltelement um mindesten die Überlappungslänge zurückgezogen werden.
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Insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen, relativ großen Elementbreite bleibt trotz der kleinen Überlappungslänge eine ausreichend große Fläche für die Überlappung zwischen Halteelement und Stapelelement. Die Überlappungslänge beträgt insbesondere höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, weiter vorzugsweise höchstens 2 mm, besonders vorzugsweise höchstens 1 mm.
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Die oben beschriebenen Dimensionen des einzelnen Halteelements kommen insbesondere zur Anwendung, wenn das Halteelement linearbeweglich angeordnet ist. Allerdings können diese Dimensionen auch verwendet werden, wenn das Halteelement drehbeweglich oder linear-und drehbeweglich angeordnet ist, soweit ausreichend Bauraum für die Bewegung des Halteelements zwischen der Freigabeposition und der Halteposition zur Verfügung steht.
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In der Halteposition überlappt das Halteelement mit dem Teilstapel. Der überlappende Bereich des Halteelements bzw. der in den Rahmen ragende Bereich des Halteelements weist vorzugsweise eine sehr geringe Dicke auf. Insbesondere läuft das Halteelement spitz zu, sodass sich dessen Dicke zur Mitte des Rahmens hin verjüngt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass diese Dicke, gemessen parallel zur Stapelachse und im überlappenden Bereich des Halteelements bzw. in dem in den Rahmen ragenden Bereich des Halteelements, an der dicksten Stelle maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm, besonders vorzugsweise maximal 1,5 mm beträgt. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass diese Dicke an der dünnsten Stelle maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 0,5 mm, besonders vorzugsweise maximal 0,2 mm, beträgt
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Dieser überlappende Bereich ist so dünn ausgestaltet, damit mehrere Teilstapel mit dazwischenliegenden Halteelementen im Gesamtstapel komprimiert werden können, ohne dass eine nennenswerte Deformation der an den Halteelementen anliegenden Brennstoffzellen erfolgt. Die dünn ausgestalteten Halteelemente können auch als Haltemesser bezeichnet werden.
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Der Rahmen der Stapelvorrichtung ist vorzugsweise zumindest zweiteilig segmentiert. Bei der Bildung des Gesamtstapels sind die einzelnen Teilstapel jeweils von einem Rahmen umgeben. Damit diese Rahmen nicht zerstört werden müssen oder parallel zur Stapelachse abgezogen werden müssen, sind die Rahmen vorzugsweise zumindest in zwei Teile demontierbar. So ist die Verbindung zwischen den zumindest zwei Teilen zerstörungsfrei lösbar und die Teilungsebene ist so gewählt, dass die beiden Teile senkrecht zur Stapelachse vom Teilstapel demontierbar sind.
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Bevorzugt liegt der Rahmen im zusammengesetzten bzw. montierten Zustand vor, wenn der Teilstapeln eingesetzt wird. Der Teilstapel wird dann innerhalb des Rahmens komprimiert und der Rahmen bildet eine seitliche Führung für den Teilstapel. Allerdings ist es auch möglich, den Teilstapel zunächst zusammenzusetzen, insbesondere auch zu komprimieren, und erst anschließend den zumindest zweiteiligen Rahmen an den Teilstapel anzusetzen.
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Der Rahmen weist vorzugsweise zumindest eine Betätigungsmechanik auf. Mit dieser Betätigungsmechanik ist ein Halteelement oder sind mehrere Halteelemente aus der Halteposition in die Freigabeposition bewegbar oder zumindest wird durch die Betätigungsmechanik die Bewegung freigegeben. In einer einfachen Ausgestaltung wird die Betätigungsmechanik während des Zusammensetzens oder nach dem Zusammensetzen des Gesamtstapels manuell oder durch eine weitere Vorrichtung betätigt.
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In bevorzugter Ausführung ist jedoch vorgesehen, dass die Betätigungsmechanik an der einen Stapelvorrichtung durch eine weitere Stapelvorrichtung beim Stapeln der beiden Stapelvorrichtungen betätigt wird. Hierzu weist die Stapelvorrichtung ein Betätigungselement stirnseitig am Rahmen auf. Werden zwei der Stapelvorrichtungen aneinander gestapelt, so betätigt das Betätigungselement der einen Stapelvorrichtung die Betätigungsmechanik der anderen Stapelvorrichtung.
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Wie bereits beschrieben, führt die Betätigung der Betätigungsmechanik dazu, dass das Halteelement unmittelbar bewegt wird oder zumindest für die Bewegung freigegeben wird. Beispielsweise kann das Halteelement in seiner Halteposition durch eine entsprechende Vorrichtung blockiert sein. Die Betätigung der Betätigungsmechanik löst diese Blockierung. Die tatsächliche Bewegung des Halteelements erfolgt dann durch einen geladenen Energiespeicher, beispielsweise eine Feder.
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Die Betätigung der Betätigungsmechanik, sowohl für das unmittelbare Bewegen des Halteelements als auch zur Freigabe des Halteelements, erfolgt vorzugsweise über eine geneigte Betätigungsfläche. Diese Betätigungsfläche ist zur Stapelachse, vorzugsweise mit einem Winkel zwischen 5° und 85°, geneigt. Die Betätigungsfläche kann an der Betätigungsmechanik und/oder am Betätigungselement angeordnet sein. Entscheidend ist, dass sich beim Stapeln von zwei Stapelvorrichtungen die Betätigungsmechanik der einen Stapelvorrichtung und das Betätigungselement der anderen Stapelvorrichtung aufeinander zu bewegen. Durch die geneigte Betätigungsfläche entsteht eine Kraftkomponente senkrecht zur Stapelachse, wodurch die Betätigungsmechanik entsprechend betätigt werden kann.
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Beispielsweise weist das Betätigungselement die geneigte Betätigungsfläche auf. Die geneigte Betätigungsfläche gleitet am Halteelement oder in einer Aussparung des Halteelements und drückt somit das Halteelement in die Freigabeposition. Die entsprechende Fläche am Halteelement bildet dabei die Betätigungsmechanik.
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Andererseits kann die geneigte Betätigungsfläche auch unmittelbar auf dem Halteelement ausgebildet sein. Ein entsprechendes Betätigungselement drückt beim Stapeln der beiden Stapelvorrichtungen auf die geneigte Betätigungsfläche auf dem Halteelement. Dadurch entsteht eine senkrecht zur Stapelachse wirkende Kraft auf das Halteelement. Vorzugsweise ist eine Einrastmechanik vorgesehen, damit zwei benachbarte Rahmen nach dem Ineinanderstecken sich nicht mehr von alleine trennen können.
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Die Stirnseiten des Rahmens der Stapelvorrichtung weisen vorzugsweise Fortsätze und/oder Absätze und/der Aussparungen auf. Diese Elemente an den Stirnseiten sind so ausgebildet, dass beim Zusammensetzen von zwei Stapelvorrichtungen die beiden aufeinanderliegenden Stirnseiten keinen durchgehenden Schlitz ergeben, in den eine Brennstoffzelle bzw. ein einzelne Bipolarplatte bei einer ungewollten Bewegung senkrecht zur Stapelachse rutschen kann.
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An der Innenseite des Rahmens sind vorzugsweise mehrere Anschlusselemente zum elektrischen Kontaktieren mehrerer Brennstoffzellen angeordnet. Diese Anschlusselemente werden insbesondere bei einer Zwischenprüfung des Teilstapels verwendet. Insbesondere wird mit einem einzelnen Anschlusselement eine einzelne Brennstoffzelle kontaktiert. Besonders bevorzugt weist der Rahmen für jede Brennstoffzelle ein Anschlusselement auf. Vorzugsweise sind die Anschlusselemente so ausgebildet, dass sie die jeweilige Bipolarplatte von selbst, nur durch Einsetzen des Stapelelement bzw. der Brennstoffzelle in den Rahmen elektrisch leitend kontaktieren. Insbesondere weisen die Brennstoffzellen Anschlüsse auf, die im fertigen Brennstoffzellenstapel für ein Zellüberwachungssystem genutzt werden. Besonders vorzugsweise sind die Anschlusselemente im Rahmen dazu ausgebildet, die Brennstoffzellen an diesen Anschlüssen des Zellüberwachungssystems zu kontaktieren. Das Zellüberwachungssystem ist im Folgenden kurz erläutert: Ein Brennstoffzellensystem kann ein Zellüberwachungssystem umfassen. Das Zellüberwachungssystem (en.: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. I.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels aus mehreren Teilstapeln. Bei dem Verfahren erfolgt zunächst ein Bereitstellen von zumindest zwei Stapelvorrichtungen, wie sie beschrieben wurden. Im nächsten Schritt erfolgt ein Beaufschlagen des einzelnen Teilstapels mit einer ersten Kraft zum Komprimieren des Teilstapels. Die Kraft wird dabei parallel zur Stapelachse aufgebracht. Insbesondere handelt es sich bei dem Komprimieren mit der ersten Kraft um eine Teilverspannung, beispielsweise im Bereich von 1 kN. Die Vollverspannung der Brennstoffzellen erfolgt dann am Gesamtstapel.
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Sobald der Teilstapel mit der ersten Kraft komprimiert ist, werden die Halteelemente der Stapelvorrichtung in die Halteposition bewegt. Dadurch kann der Teilstapel nicht mehr expandieren und verbleibt im komprimierten Zustand.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Stapelelemente der Brennstoffzellen vor dem Komprimieren in den Rahmen eingesetzt werden. Dies ist die bevorzugte Variante, da die Stapelelemente im Rahmen während der Komprimierung geführt sind und nicht seitlich verrutschen können. Allerdings ist es auch möglich, den Teilstapel zunächst zu komprimieren und dann den oben beschriebene zumindest zweiteiligen Rahmen anzusetzen.
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Wenn mehrere der Teilstapel in entsprechender Stapelvorrichtung komprimiert sind und über die Halteelemente fixiert sind, werden die Stapelvorrichtungen entlang der Stapelachse gestapelt. Die in den Rahmen befindlichen Teilstapel bilden dabei einen Gesamtstapel. Dabei liegen die äußeren Stapelelemente der einzelnen Teilstapel übereinander, lediglich getrennt durch die Halteelemente in ihrer Halteposition. Besonders bevorzugt liegen auch die entsprechenden Stirnseiten der Rahmen aufeinander auf.
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Vorzugsweise umfasst der Gesamtstapel alle Brennstoffzellen des herzustellenden Brennstoffzellenstapels. Allerdings ist auch vorgesehen, dass mehrere Gesamtstapel anschließend zu dem herzustellenden Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt werden. Der Einfachheit halber wird hier die Stapelung der Brennstoffzellen beschrieben. Allerdings ist es auch möglich, in die hier beschriebenen Teilstapel weitere Stapelelemente des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise Stromabnehmerplatten, Isolatorplatte oder Endplatte, zu integrieren.
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Beim Stapeln der einzelnen Stapelvorrichtungen und/oder nach dem Stapeln der einzelnen Stapelvorrichtungen werden die Halteelemente in die Freigabeposition bewegt und dadurch zwischen den Stapelelementen herausgezogen. Nach dem Bewegen der Halteelemente in die Freigabeposition liegen die äußeren Stapelelemente der aneinandergrenzende Teilstapel unmittelbar aufeinander.
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In einem nächsten Schritt oder nach entsprechenden Zwischenschritten werden die Rahmen von den Teilstapeln demontiert. Es verbleibt der Gesamtstapel, der auf herkömmliche Weise weiterverarbeitet wird. Beispielsweise wird die Komprimierung des Gesamtstapels durch entsprechende Endplatten, die über Zuganker verbunden sind, aufrechterhalten.
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Vorzugsweise wird der Gesamtstapel mit einer zweiten Kraft beaufschlagt. Diese zweite Kraft wirkt parallel zur Stapelachse. Die zweite Kraft dient zumindest zum teilweisen oder vollständigen Halten der Komprimierung der Teilstapel. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Gesamtstapel mit der zweiten Kraft zur weiteren Komprimierung beaufschlagt wird.
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Die Verwendung der Halteelemente in den Stapelvorrichtungen dient also zunächst zur Aufrechterhaltung der Komprimierung innerhalb des Rahmens. Dies ermöglicht beispielsweise eine noch genauer beschriebene Zwischenprüfung des einzelnen Teilstapels und/oder eine einfache Transportierung des Teilstapels in der Stapelvorrichtung. Diese einmal vorgenommene Komprimierung des Teilstapels wird beim Zusammensetzen zum Gesamtstapel vorzugsweise nicht oder zumindest nicht vollständig expandiert. Vorzugsweise ist die zweite Kraft, die auf den Gesamtstapel aufgebracht wird zumindest so groß, um die mit der ersten Kraft erzeugte Komprimierung zu halten, bevor die Halteelemente in die Freigabeposition bewegt werden.
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Zum Bewegen der Halteelemente in die Freigabeposition sind unterschiedliche Möglichkeiten vorgesehen. So ist bevorzugt vorgesehen, zumindest ein Halteelement, insbesondere mehrere oder alle Halteelemente, in die Freigabeposition zu bewegen, während der Gesamtstapel kraftbeaufschlagt ist.
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Dabei ist auch vorgesehen, dass nach dem Bewegen der Halteelemente in die Freigabeposition die zweite Kraft noch weiter erhöht wird.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass alle Halteelemente, die sich zwischen zwei Teilstapeln befinden, gleichzeitig in die Freigabeposition bewegt werden. Insbesondere erfolgt dies, sobald die zweite Kraft in etwa den Wert der ersten Kraft erreicht, sodass die Teilstapel von ihrem komprimierten Zustand nicht expandieren.
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Besonders bevorzugt werden die oben beschriebenen Betätigungsmechaniken alle gleichzeitig manuell oder durch eine externe Vorrichtung betätigt.
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Allerdings ist es auch vorgesehen, die jeweilige Betätigungsmechanik durch die beschriebenen Betätigungselemente zu betätigen, wobei die Betätigungsmechanik und das Betätigungselement so ausgelegt sind, dass die Halteelemente erst ab einem bestimmten Betrag der zweiten Kraft in die Freigabeposition bewegt werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, die Halteelemente mittels eines Energiespeichers, insbesondere einer Feder, in der Halteposition zu halten. Sobald die über die Betätigungsmechanik und das Betätigungselement wirkende Kraft auf das Halteelement groß genug ist, wird das Halteelement trotz der Kraft des Energiespeichers in die Freigabeposition bewegt.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Halteelemente sukzessive mit dem Stapeln der Stapelvorrichtungen in die Freigabeposition bewegt werden. Dabei wird während des Stapelns der Stapelvorrichtungen insbesondere keine Kraft zum Komprimieren aufgebracht. Vielmehr hält jeweils das zumindest eine obere Halteelement der obersten Stapelvorrichtung den sukzessive aufgebauten Gesamtstapel in Kompression. Immer beim Aufstapeln einer weiteren Stapelvorrichtung wird das zumindest eine untere Halteelement der neu hinzukommen Stapelvorrichtung und das zumindest eine obere Halteelement der vorherigen Stapelvorrichtung in die Freigabeposition bewegt. Hierzu kann die Betätigungsmechanik manuell oder durch eine weitere Vorrichtung betätigt werden. Allerdings ist es hier auch möglich, wie oben bereits beschrieben, Betätigungselemente an den Stirnseiten der Stapelvorrichtungen zu verwenden, die beim Stapeln der Stapelvorrichtungen die jeweilige Betätigungsmechanik der anderen Stapelvorrichtung betätigen. Vorzugsweise wird vor dem Bewegen des letzten Halteelements in die Freigabeposition die oben beschriebene zweite Kraft zum Halten der Komprimierung oder zur weiteren Komprimierung aufgebracht.
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In allen beschriebene Varianten ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Rahmen demontiert werden, während der Gesamtstapel mit der zweiten Kraft noch beaufschlagt ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der einzelne Teilstapel im komprimierten und im Rahmen fixierten Zustand, noch vor dem Stapeln der einzelnen Stapelvorrichtungen einer Zwischenprüfung unterzogen wird. Während dieser Zwischenprüfung kann die Komprimierung des Teilstapels wenn nötig auch kurzzeitig erhöht werden.
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Die Zwischenprüfung des Teilstapelas erfolgt insbesondere auf Leckagen und/oder hinsichtlich elektrischem Kurzschluss zwischen den Brennstoffzellen und/oder hinsichtlich eines Durchflusses von Medien durch die Brennstoffzellen und/oder hinsichtlich des elektrochemischen Verhaltens. Die Prüfeinrichtung für diese Zwischenprüfung hat insbesondere die Fähigkeiten und Eigenschaften eines Brennstoffzellenprüfstands. So kann der Teilstapel während der Zwischenprüfung vorzugsweise mit Reaktanden versorgt werden. Der Teilstapel kann mit einer elektrischen Last beaufschlagt werden. Es kann eine Spannungsmessung am Teilstapel erfolgen.
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Für die elektrochemische Untersuchung ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Rahmen elektrisch von den Brennstoffzellen isoliert ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, den Teilstapel in den Rahmen einzusetzen und zu komprimieren, während sich der Rahmen in der Prüfeinrichtung für die Zwischenprüfung befindet.
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Die hier vorgestellte Technologie im Zusammenhang mit der Zwischenprüfung hat insbesondere den Vorteil, dass die Brennstoffzellen nach der Zwischenprüfung nass sind und die durch die Halteelemente aufrechterhaltene Komprimierung ein Zusammenziehen der Membranelektroden-Einheiten verhindert.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Brennstoffzellenstapel hergestellt mit der hier vorgestellten Stapelvorrichtung und gemäß dem hier vorgestellten Verfahren,
- 2 eine Seitenansicht der Stapelvorrichtung und eine Pressvorrichtung,
- 3 eine Draufsicht auf die Stapelvorrichtung,
- 3A eine Draufsicht auf die Stapelvorrichtung mit alternativen Halteelementen,
- 4 mehrere gestapelte Stapelvorrichtungen und eine Pressvorrichtung,
- 5 die Stapelvorrichtung ohne Teilstapel,
- 6 den in 5 gekennzeichnet Schnitt A-A,
- 7 den in 5 gekennzeichneten Schnitt B-B,
- 8 ein erstes Detail der Stapelvorrichtung,
- 9 ein weiteres Detail der Stapelvorrichtung, und
- 10 die Stapelvorrichtung mit Anschlusselementen.
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Die Figuren erläutern in rein schematischen Darstellungen eine Stapelvorrichtung 10 und ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 1 unter Verwendung der Stapelvorrichtung 10.
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1 zeigt rein schematisch den Brennstoffzellenstapel 1 mit Brennstoffzellen 2, Stromabnehmerplatten 3, Isolatorplatten 4 und Endplatten 5. Die einzelnen Stapelelemente des Brennstoffzellenstapels 1 sind entlang einer Stapelachse 8 gestapelt.
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An einer Seite des Brennstoffzellenstapels 1 befindet sich die erste Endplatte 5, hier ausgebildet als Medienplatte. Über diese Endplatte 5 erfolgt das Zuführen der Medien zum Brennstoffzellenstapel 1 und das Abführen der Medien vom Brennstoffzellenstapel 1. Zwischen den Brennstoffzellen 2 und den Endplatten 5 befinden sich Stromabnehmerplatten 3. Die Stromabnehmerplatten 3 sind gegenüber den Endplatten 5 über Isolatorplatten 4 elektrisch isoliert.
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In der ersten Endplatte 5, in den Brennstoffzellen 2 und in der dazwischen liegenden Isolatorplatte 4 und Stromabnehmerplatte 3 sind jeweils mehrere Medienöffnungen 7 (siehe 3) ausgebildet. Entsprechende Medienöffnungen 7 fluchten im Brennstoffzellenstapel 1 und bilden dadurch Medienleitungen 6, die parallel zur Stapelachse 8 ausgerichtet sind.
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1 zeigt einen Gesamtstapel 20 aus einer Vielzahl an Brennstoffzellen 2. Dieser Gesamtstapel 20 wird aus mehreren Teilstapeln 9 zusammengesetzt. Der Gesamtstapel 20 kann auch weitere Stapelelemente, wie Endplatten 5, Stromabnehmerplatten 3 oder Isolatorplatten 4, umfassen.
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2 zeigt einen der Teilstapel 9, bestehend aus mehreren Stapelelementen mehrerer Brennstoffzellen 2. Der Teilstapel 9 befindet sich in einer Stapelvorrichtung 10. Die Stapelvorrichtung 10 umfasst einen Rahmen 11. Der Rahmen 11 umgibt den Umfang des Teilstapels 9 und verhindert somit eine Bewegung der einzelnen Brennstoffzellen 2 in allen Richtungen senkrecht zur Stapelachse 8. Die beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 13 des Rahmens 11 sind offen, sodass die einzelnen Brennstoffzellen 2 bzw. der Teilstapel 9 stirnseitig in den Rahmen 11 eingesetzt werden kann.
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2 zeigt ferner eine Pressvorrichtung 15. Die Pressvorrichtung 15 setzt auf die beiden äußeren Brennstoffzellen 2 des Teilstapels 9 auf und erzeugt mit einer ersten Kraft eine Komprimierung des Teilstapels 9 parallel zur Stapelachse 8.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die Stapelvorrichtung 10 mit eingesetztem Teilstapel 9. Wie 2 und 3 zeigen, weist die Stapelvorrichtung 10 an beiden Stirnseiten 13 Halteelemente 12 auf. Die Halteelemente 12 sind an den Stirnseiten 13 des Rahmens 11 beweglich angeordnet.
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In den Figuren befinden sich die Halteelemente 12 in einer Halteposition. In dieser Halteposition ragen die Halteelemente 12 vom Rahmen 11 aus nach innen und überlappen dadurch mit den äußeren Brennstoffzellen 2 des Teilstapels 9.
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Vor dem Einsetzen der Brennstoffzellen 2 in den Rahmen 11 und vor dem Aufbringen der zweiten Kraft mit der Pressvorrichtung 15 befinden sich die Halteelemente 12 zumindest an einer Stirnseite 13 in einer Freigabeposition. In der Freigabeposition ragen die Halteelemente 12 nicht oder nicht vollständig nach innen und überlappen somit nicht mit dem Teilstapel 9.
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Durch eine entsprechende Betätigungsmechanik 16 (siehe 6 und 7) sind die Halteelemente 12 relativ zum Rahmen 11 in einer zur Stapelachse 8 senkrechten Ebene linearbeweglich und/oder drehbar. Dadurch können die Halteelemente 12 wahlweise in die Halteposition und in die Freigabeposition bewegt werden.
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Erst wenn der Teilstapel 9 innerhalb des Rahmens 11 komprimiert ist, werden die Halteelemente 12 geschlossen, sodass sich alle Halteelemente 12 in der Halteposition befinden. Dadurch halten die Halteelemente 12 den Teilstapel 9 im komprimierten Zustand innerhalb des Rahmens 11.
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3 zeigt rein schematisch eine Teilungsebene 14. Der Rahmen 11 ist aus zwei Teilen zusammengesetzt und kann an der Teilungsebene 14 demontiert werden, sodass die beiden Teile senkrecht zur Stapelachse 8 entfernt werden können.
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3A zeigt die gleiche Darstellung wie 3, lediglich mit anderen Halteelementen 12.
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3A zeigt linearbewegliche Halteelemente 12. An den Halteelementen 12 ist eine Elementbreite 22 definiert. Parallel zur Elementbreite 22 weist der Rahmen 11 eine lichte Weite 24 auf, die einer Zellenbreite 21 entspricht. Die Elementbreite 22 ist relativ groß gewählt, insbesondere im Bereich von mindestens 10 % bis mindestens 50 %, bezogen auf die lichte Weite 24 bzw. Zellenbreite 21.
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Ferner zeigt 3A eine Überlappungslänge 23, mit der die Halteelemente 12 in der Halteposition mit dem Teilstapel 9 überlappen. In der Halteposition steht das Halteelement 12 mit dieser Überlappungslänge 23 über den Rahmen 11 nach innen über.
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4 zeigt mehrere gestapelte Stapelvorrichtungen 10. In jeder Stapelvorrichtung 10 befindet sich ein Teilstapel 9 im komprimierten Zustand. Die Halteelemente 12 sind dabei noch in der Halteposition. Die mehreren Teilstapel 9 bilden hier den Gesamtstapel 20. Der obere und der untere Teilstapel 9 können auch weitere Stapelelemente, wie Endplatten 5, Stromabnehmerplatten 3 oder Isolatorplatten 4, umfassen.
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Sukzessive beim Stapeln der Stapelvorrichtungen 10 oder nach dem Stapeln aller Stapelvorrichtungen 10 werden die Halteelemente 12 in die Freigabeposition bewegt und somit zwischen den Stapelelementen bzw. Brennstoffzellen 2 herausgezogen.
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Die gestapelten Stapelvorrichtungen 10 befinden sich insbesondere zwischen der Pressvorrichtung 15. Hier kann dieselbe Pressvorrichtung 15 wie beim Pressen des Teilstapels 9 oder eine andere Pressvorrichtung verwendet werden. Insbesondere wird mittels der Pressvorrichtung 15 der Gesamtstapel 20 weiter komprimiert.
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Nach dem Bewegen der Halteelemente 12, insbesondere nach dem vollständigen komprimieren des Gesamtstapels 20, werden die Stapelvorrichtungen 10 demontiert und können vorzugsweise wieder verwendet werden.
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5 zeigt zwei gestapelte Stapelvorrichtungen 10 in einer Draufsicht zur Kennzeichnung von zwei Schnitten A-A und B-B.
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6 zeigt den Schnitt A-A. 7 zeigt den Schnitt B-B. Zu sehen sind jeweils die Stirnseiten 13 von zwei aufeinanderliegenden Rahmen 11. Wie 5 zeigt, befinden sich beide Schnitte an derselben Seite der Rahmen 11. Anhand der beiden Schnitte ist zu sehen, dass die Stirnseiten 13 der Rahmen 11 entsprechende Absätze aufweisen, die so gestaltet sind, dass kein geradliniger Schlitz entsteht, in den eine Brennstoffzelle 2 in eine Richtung senkrecht zur Stapelachse 8 rutschen kann.
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8 und 9 zeigen rein schematisch, wie eine Betätigung der Halteelemente 12 ausgeführt werden kann.
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Die Stapelvorrichtungen 10 weisen vorzugsweise eine Betätigungsmechanik 16 auf. Die Betätigungsmechanik 16 kann grundsätzlich beliebig gestaltet sein und ist dazu ausgebildet, das Halteelement 12 linearbeweglich und/oder drehend von der Haltepositionen in die Freigabeposition zu bewegen.
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Des Weiteren weisen die Stapelvorrichtungen 10 vorzugsweise entsprechende Betätigungselemente 17 auf. Beim Stapeln der Stapelvorrichtungen 10 betätigt das Betätigungselement 17 einer Stapelvorrichtung 10 die Betätigungsmechanik 16 einer anderen, angrenzenden Stapelvorrichtung 10.
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8 zeigt ein drehbar angeordnetes Halteelement 12. Dieses Halteelement 12 oder damit verbundene Elemente bilden die Betätigungsmechanik 16. Ein entsprechendes Betätigungselement 17 weist eine geneigte Betätigungsfläche 18 auf. Wenn die Betätigungsfläche 18 relativ zur Betätigungsmechanik 16 bewegt wird, übt das Betätigungselement 17 eine Kraft auf die Betätigungsmechanik 16 aus. Die geneigte Betätigungsfläche 18 führt dabei zu einer Kraftkomponente senkrecht zur Stapelachse 8. Diese Kraftkomponente kann dazu genutzt werden um das Halteelement 12 in der Ebene senkrecht zur Stapelachse 8 zu verdrehen.
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9 zeigt ein linearbewegliches Halteelement 12. Die Betätigungsmechanik 16 ist gebildet durch ein Langloch im Halteelement 12. Das Betätigungselement 17 mit der geneigten Betätigungsfläche 18 bewegt sich beim Stapeln der Stapelvorrichtungen 10 in dieses Langloch. Die geneigte Betätigungsfläche 18 führt wiederum zu einer Kraftkomponente senkrecht zur Stapelachse 8.
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Zum Bewegen der Halteelemente 12 in die Freigabeposition sind unterschiedliche Varianten vorgesehen: Gemäß einer Variante werden alle Halteelemente 12, die sich zwischen zwei Teilstapeln 9 befinden gleichzeitigen in die Freigabeposition bewegt. Insbesondere erfolgt dies, sobald die zweite Kraft durch die Pressvorrichtung 15 in etwa den Wert der ersten Kraft erreicht, sodass die Teilstapel 9 von ihrem komprimierten Zustand nicht expandieren. Hierzu bedarf es nicht zwingend der Betätigungselemente 17 an den Stapelvorrichtungen 10, da die Betätigungsmechaniken 16 alle gleichzeitig manuell oder durch eine externe Vorrichtung betätigt werden können.
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Allerdings ist auch vorgesehen, die jeweilige Betätigungsmechanik 16 durch die Betätigungselemente 17 zu betätigen, wobei die Betätigungsmechanik 16 und das Betätigungselement 17 so ausgelegt sind, dass die Halteelemente 12 erst ab einem bestimmten Betrag der zweiten Kraft in die Freigabeposition bewegt werden. Hierzu ist es beispielsweise möglich, die Halteelemente 12 mittels eines Energiespeichers, insbesondere eine Feder, in der Halteposition zu halten. Sobald die über die Betätigungsmechanik 16 und das Betätigungselement 17 wirkende Kraft auf das Halteelement 12 groß genug ist, wird das Halteelement 12 trotz der Kraft des Energiespeichers in die Freigabeposition bewegt. Auch so können alle Halteelemente 12 gleichzeitig bewegt werden.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Halteelemente 12 sukzessive mit dem Stapeln der Stapelvorrichtungen 10 in die Freigabeposition bewegt werden. Dabei wird während des Stapelns der Stapelvorrichtungen 10 insbesondere keine Kraft aufgebracht. Vielmehr hält jeweils das zumindest eine obere Halteelement 12 der obersten Stapelvorrichtung 10 den sukzessive aufgebauten Gesamtstapel 20. Vorzugsweise werden die einzelnen Rahmen 11 der gestapelten Stapelvorrichtungen 10 zueinander befestigt. Immer beim Aufstapeln einer weiteren Stapelvorrichtung 10 wird das zumindest eine untere Halteelement 12 der neu hinzukommen Stapelvorrichtung 10 und das zumindest eine obere Halteelement 12 der vorherigen Stapelvorrichtung 10 in die Freigabeposition bewegt. Hierzu kann die Betätigungsmechanik 16 manuell oder durch eine weitere Vorrichtung betätigt werden. Allerdings ist es auch hier möglich, wie oben bereits beschrieben, die Betätigungselemente 17 an den Stirnseiten 13 der Stapelvorrichtungen 10 zu verwenden, um beim Stapeln der Stapelvorrichtungen 10 die jeweilige Betätigungsmechanik 16 der anderen Stapelvorrichtung 10 zu betätigen.
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Ferner ist vorgesehen, dass der einzelne Teilstapel 9 im komprimierten und im Rahmen fixierten Zustand, noch vor dem Stapeln der einzelnen Stapelvorrichtungen 10 einer Zwischenprüfung unterzogen wird. Während dieser Zwischenprüfung kann die Komprimierung des Teilstapels 9, wenn nötig auch kurzzeitig erhöht werden.
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10 zeigt, dass der Rahmen 11 eine Vielzahl an Anschlusselementen 19 aufweist. Mit den Anschlusselementen 19 können einzelne Brennstoffzellen des Teilstapels 9 innerhalb der Stapelvorrichtung 10 elektrisch leitend kontaktiert werden. Diese Kontaktierung der einzelnen Brennstoffzellen 2 kann bei der Zwischenprüfung zum Testen des Teilstapels 9 genutzt werden.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Brennstoffzellen
- 3
- Stromabnehmerplatten
- 4
- Isolatorplatten
- 5
- Endplatten
- 6
- Medienleitungen
- 7
- Medienöffnungen
- 8
- Stapelachse
- 9
- Teilstapel
- 10
- Stapelvorrichtung
- 11
- Rahmen
- 12
- Halteelemente
- 13
- Stirnseiten
- 14
- Teilungsebene
- 15
- Pressvorrichtung
- 16
- Betätigungsmechanik
- 17
- Betätigungselement
- 18
- geneigte Betätigungsfläche
- 19
- Anschlusselemente
- 20
- Gesamtstapel
- 21
- Zellenbreite
- 22
- Elementbreite
- 23
- Überlappungslänge
- 24
- lichte Weite
