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EINLEITUNG
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Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um sich entweder auf eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu beziehen, abhängig von dem Kontext, in dem sie verwendet wird. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird typischerweise gebündelt, um einen Stapel mit der Vielzahl von Zellen zu bilden, die üblicherweise in elektrischen Reihen angeordnet sind.
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Es können verschiedene Brennstoffzellentypen, wie Phosphorsäure, alkalische, Schmelzkarbonat, Festoxid- und Protonenaustauschmembran (PEM), bereitgestellt werden. Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembran-Elektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist einseitig mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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In einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA zwischen „Anoden“- und „Kathoden“-Diffusionsmedien (nachfolgend „DMs“) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitfähigen und gasdurchlässigen Material, wie Kohlenstoffgewebe oder Papier, geformt sind. Die DMs dienen als primäre Stromsammler für die Anode und Kathode und bieten mechanische Unterstützung für die MEA. Die DMs und MEA sind zwischen ein elektronisch leitfähiges Plattenpaar, z. B. eine Monopolarplatte oder eine Bipolarplatte gedrückt, die als Sekundärstromsammler dienen, um den Strom von den Primärstromsammlern zu sammeln.
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Monopolarplatten können üblicherweise ein einziges dünnes Blech beinhalten, während die Bipolarplatten normalerweise zwei dünne, zueinander weisende Bleche beinhalten. Die Bleche definieren einen Strömungsweg an einer äußeren Fläche davon zur Förderung des Kraftstoffs zur Anode der MEA oder zur Lieferung des Oxidationsmittels zur Kathodenseite der MEA. Bei einer Bipolarplatte definiert eine äußere Fläche auf dem anderen Blech einen Strömungsweg zur Förderung des Kraftstoffs zur Anode der MEA oder zur Lieferung des Oxidationsmittels zur Kathodenseite der MEA. Wenn die Bleche im Falle von Bipolarplatten miteinander verbunden sind, können die verbundenen Oberflächen einen Strömungsweg für ein dielektrisches Kühlfluid definieren. Die Platten werden typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellt
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Um ein unerwünschtes Austreten von Fluiden zwischen den Platten zu verringern, wird häufig eine Dichtung verwendet. Die Dichtung ist entlang einer Umfangskante der Platten und/oder um einen Umfang aller durch die Platten verlaufenden Öffnungen angeordnet. Die Dichtung kann eine elastomere Dichtung beinhalten, oder alternativ können die Metallplatten geformt werden, um eine erhöhte Wulstdichtung zu bilden und können mit einer Mikrodichtung beschichtet werden, um eine erhöhte Wulstdichtung zu bilden. Die erhöhte Wulstdichtung kann auf einem ebenen Metallblech angrenzend an eine äußere Kante des Bleches oder angrenzend an eine Kante ausgebildet sein, die eine in dem Blech ausgebildete Öffnung umgibt. Die erhöhte Wulstdichtung kann in dem Metallblech durch einen Stanzvorgang gebildet werden, obwohl andere Verfahren verwendet werden können. Die erhöhte Wulstdichtung kann im Wesentlichen symmetrisch um eine Längsmittellinie der erhöhten Wulstdichtung sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die erhöhte Wulstdichtung nicht symmetrisch um die Längsmittellinie sein kann. Die erhöhte Wulstdichtung kann eine allgemein bogenförmige Querschnittsform senkrecht zur Längsmittellinie aufweisen. Die allgemein bogenförmige Querschnittsform der erhöhten Wulstdichtung ergibt eine elastische Reaktion auf eine Last in einer Richtung normal zu dem ebenen Metallblech.
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Die erhöhte Wulstdichtung wird gegen eine angrenzende Platte zusammengedrückt und verformt, um eine Abdichtung gegen die angrenzende Platte zu bilden. Wenn Abschnitte der erhöhten Wulstdichtung eine hohe Steifigkeit aufweisen und andere eine geringere Steifigkeit aufweisen, können die Bereiche mit hoher Steifigkeit der erhöhten Wulstdichtung verhindern, dass die unteren Steifigkeitsbereiche der erhöhten Wulstdichtung eine dichte Abdichtung formen. Dementsprechend sollten die erhöhten Wulstdichtungen eine gleichförmige Steifigkeit in allen Abschnitten der erhöhten Wulstdichtung aufweisen, um eine dichte Abdichtung um den gesamten Umfangsrand der Platten und/oder um den gesamten Umfang der angrenzenden Öffnung zu bilden. Zusätzlich sollten die erhöhten Wulstdichtungen unter einer konsistenten, anvisierten angewendeten Last zur Erzielung der gewünschten Dichtfunktion komprimiert werden.
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Unter extremen Druckbelastungen können die erhöhten Wulstdichtungen überkomprimiert und unelastisch in eine unerwünschte Form verformt werden. Zur Begrenzung der Überkompression und um die Möglichkeit der unelastischen Verformung der erhöhten Wulstdichtungen zu verringern, können die Bipolarplatten mit einem hochstehenden Kompressionsbegrenzer(n) ausgestattet sein. Der hochstehende Kompressionsbegrenzer ist ein hochstehendes Merkmal in den Bipolarplatten, wie ein Grat, Grübchen usw., das der Kompression der erhöhten Wulstdichtungen ab einer bestimmten Grenze widersteht. Der Dauereingriff des hochstehenden Kompressionsbegrenzers während der anfänglichen Belastung der erhöhten Wulstdichtung kann jedoch die Belastung der erhöhten Wulstdichtung beeinflussen und verhindern, dass die ordnungsgemäße anvisierte Drucklast auf die erhöhte Wulstdichtung bei der Fertigung und Kompression des Brennstoffzellenstapels angewendet wird. Wenn die Bipolarplatten mit dem hochstehenden Kompressionsbegrenzer ausgestattet sind, ist es dementsprechend wichtig, dass die erhöhten Wulstdichtungen beim Komprimieren des Brennstoffzellenstapels mit der ordnungsgemäßen anvisierten Last komprimiert werden.
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KURZDARSTELLUNG
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen einer Vielzahl Bipolarplatten in einem unkomprimierten Stapel. Der unkomprimierte Stapel hat eine anfängliche Höhe. Mindestens eine der Bipolarplatten beinhaltet ein komprimierbares Merkmal. Der Stapel der Bipolarplatten wird mit einer variablen angewendeten Last bis zu einem Merkmal unverformter Verschiebeweg komprimiert, der von der anfänglichen Höhe des Stapels Bipolarplatten gemessen wird. Eine erste angewendete Last bei einem ersten von der anfänglichen Höhe aus gemessenen Verschiebeweg wird erfasst. Eine zweite angewendete Last bei einem zweiten von der anfänglichen Höhe aus gemessenen Verschiebeweg wird ebenso erfasst. Der erste Verschiebeweg und der zweite Verschiebeweg sind jeweils kleiner als das Merkmal unverformter Verschiebeweg. Dann wird eine am besten passende Kurve durch die erste angewendete Last beim ersten Verschiebeweg und die zweite angewendete Last beim zweiten Verschiebeweg ermittelt. Ein endgültiger von der anfänglichen Höhe aus gemessener Verschiebeweg wird aus der am besten passenden Kurve für eine anvisierte angewendete Last berechnet. Der Stapel Bipolarplatten wird bis zum endgültigen von der anfänglichen Höhe aus gemessenen Verschiebeweg komprimiert.
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In einem Aspekt der Offenbarung kann das komprimierbare Merkmal eine erhöhte Wulstdichtung oder einen hochstehenden Kompressionsbegrenzer beinhalten.
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In einem anderen Aspekt der Offenbarung ist das Merkmal unverformter Verschiebeweg die Entfernung, um die der Stapel Bipolarplatten von der anfänglichen Höhe aus komprimiert wird, bis das komprimierbare Merkmal anfänglich an einer Bipolarplatte wirkt und der Kompression des Stapels Bipolarplatten widersteht. In einem anderen Aspekt der Offenbarung ist die anvisierte Last eine gewünschte aufgebrachte Druckbelastung auf einen Dichtungsbereich des Stapels Bipolarplatten, wobei der Dichtungsbereich eine erhöhte Wulstdichtung der Bipolarplatte umfassen kann, aber nicht darauf beschränkt ist.
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In einer Ausführungsform beinhaltet das Herstellungsverfahren des Brennstoffzellenstapels das Erfassen einer dritten aufgebrachten Last an einem dritten von der anfänglichen Höhe aus gemessenen Verschiebeweg. Die am besten passende Kurve ist definiert durch die erste aufgebrachte Last am ersten Verschiebeweg, die zweite aufgebrachte Last am zweiten Verschiebeweg und die dritte aufgebrachte Last am dritten Verschiebeweg.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet der Schritt des Ermittelns der am besten passende Kurve eine grafische Darstellung eines ersten Punkts durch die erste angewendete Last gegenüber dem ersten Verschiebeweg und einen zweiten Punkt, definiert durch die zweite angewendete Last gegenüber dem zweiten Verschiebeweg. Der erste Punkt und der zweite Punkt sind in einem kartesischen Koordinatensystem grafisch dargestellt und repräsentieren die angewendete Last auf einer ersten Achse gegenüber der gemessenen Verschiebung von der anfänglichen Höhe aus auf einer zweiten Achse. Die am besten passende Kurve ist im kartesischen Koordinatensystem durch den ersten Punkt und den zweiten Punkt gezogen. Die am besten passende Kurve wird im kartesischen Koordinatensystem bis zu einem Schnittpunkt mit der anvisierten angewendete Last verlängert. Der endgültige Verschiebeweg ist auf der zweiten Achse des kartesischen Koordinatensystems angegeben und ist der Ort auf der zweiten Achse, der dem Schnittpunkt der am besten passenden Kurve mit der anvisierten angewendete Last entspricht.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet der Schritt des Ermittelns der am besten passenden Kurve das Definieren einer Gleichung, welche die am besten passende Kurve von einem ersten Punkt und einem zweiten Punkt wiedergibt. Der erste Punkt ist durch die erste aufgebrachte Last gegenüber dem ersten Verschiebeweg definiert. Der zweite Punkt ist durch die zweite aufgebrachte Last gegenüber dem zweiten Verschiebeweg definiert. Die Gleichung erfordert eine angewendete Last als eine Eingabe und gibt einen Verschiebeweg von der anfänglichen Höhe aus. Mit der Gleichung der am besten passenden Kurve kann der endgültige Verschiebeweg für die anvisierte angewendete Last berechnet werden.
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In einem anderen Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Herstellungsverfahren des Brennstoffzellenstapels das Ermitteln des Merkmals unverformter Verschiebeweg.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Merkmal unverformter Verschiebeweg durch die Summe einer maximalen Höhe des kompressiblen Merkmals auf jeder Bipolarplatte ermittelt, bevor irgendeine Verformung einer der komprimierbaren Eigenschaften der Bipolarplatten auftritt, um eine dazwischenliegende Stapelhöhe zu definieren. Die zwischenliegende Stapelhöhe wird dann von der anfänglichen Höhe subtrahiert, um das Merkmal unverformter Verschiebeweg zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Merkmal unverformter Verschiebeweg durch Identifizieren eines beginnenden starken Anstiegs im Verhältnis Last zu Verschiebung ermittelt. Die Verschiebung von der anfänglichen Höhe bis zum Beginn des starken Anstiegs im Verhältnis von Last zu Verschiebung ist als das Merkmal unverformter Verschiebeweg definiert.
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Dementsprechend kann durch Festlegen der am besten passenden Kurve vor der Kompression des kompressiblen Merkmals der Betrag der nötigen Verschiebung (d. h. Kompression des Brennstoffzellenstapels) ermittelt werden, um die anvisierte angewendete Last an den Dichtungsbereichen der Bipolarplatten bereitzustellen. Daher wird der Brennstoffzellenstapel bis zum endgültigen Verschiebeweg komprimiert, der etwa der anvisierten angewendeten Last entspricht, die auf die Dichtungsbereiche der Bipolarplatte angewandt werden soll, unabhängig vom Widerstandswert gegen eine Komprimierung durch das komprimierbare Merkmal, wie beispielsweise unter anderem durch einen hochstehenden Kompressionsbegrenzer. Dementsprechend wird der Brennstoffzellenstapel um einen endgültigen Verschiebeweg von der anfänglichen Höhe aus zusammengedrückt, unabhängig von der nötigen Last zum Erreichen des endgültigen Verschiebewegs, um sicherzustellen, dass die anvisierte angewendete Last auf die Dichtungsbereiche der Bipolarplatten ausgeübt wird.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, lassen sich leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Durchführungsarten der Lehren ableiten, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht eines Brennstoffzellenstapels in einem unverdichteten Zustand mit einer anfänglichen Höhe.
- 2 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht des Brennstoffzellenstapels, komprimiert von der anfänglichen Höhe bis zu einem Merkmal unverformter Verschiebeweg.
- 3 ist eine schematische Querschnitts-Ansicht des Brennstoffzellenstapels, komprimiert von der anfänglichen Höhe bis zu einem endgültigen Verschiebeweg.
- 4 zeigt einen Graphen der angewendete Last gegenüber der Verschiebung (d. h. Kompression) des Brennstoffzellenstapels von einer anfänglichen Höhe aus.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Begriffe, wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „oben“, „unten“ usw., beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Offenbarung darstellen. Weiterhin können die Lehren hierin in Bezug auf die funktionalen bzw. logischen Blockkomponenten bzw. verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl an Hardware, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die dazu konfiguriert sind, die spezifizierten Funktionen auszuführen.
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In den FIGS., in denen die Bauteile in mehreren Ansichten nummeriert dargestellt sind, handelt es sich bei 20 im Allgemeinen um einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel 20 beinhaltet eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 22 übereinander gestapelt. Jede der einzelnen Brennstoffzellen 22 beinhaltet eine Bipolarplatte 24. Jede der Brennstoffzellen 22 beinhaltet zahlreiche andere Komponenten/Schichten, die für die Lehren dieser Offenbarung nicht relevant sind. Daher sind die anderen Schichten und/oder Komponenten der Brennstoffzellen 22 in den Figures nicht gezeigt oder detailliert beschrieben. Als allgemeine Beschreibung können diese anderen Schichten jedoch beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, eine Membran, eine Membranverstärkung, Unterdichtung(en), Klebstoffe, Mikrodichtungen, Kurzschlussschutz, Diffusions-Medien (DM) mit mikroporösen Schichten und Ausgleichsscheiben. Wie in den Figures gezeigt, ist der Brennstoffzellenstapel 20 der exemplarischen Ausführungsform mit einer Unterdichtung 25 zwischen einem abgrenzenden Paar Bipolarplatten 24 gezeigt.
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Mindestens eine der Bipolarplatten 24 kann ein komprimierbares Merkmal 26 beinhalten. Die komprimierbare Merkmal 26 kann jedes Merkmal der Bipolarplatten 24 beinhalten, das bei der Herstellung des Stapels der Brennstoffzellen 22 elastisch oder unelastisch verformt werden soll, was aber der Kompression des Brennstoffzellenstapels 20 wesentlich widerstehen kann. Die komprimierbare Merkmal 26 kann umfassen, ist aber nicht beschränkt auf, eine erhöhte Wulstdichtung 28 und/oder einen hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30. Jedoch sollte klar sein, dass das komprimierbare Merkmal 26 einige andere Merkmale außer der hierin beschriebenen exemplarischen erhöhten Wulstdichtung 28 und/oder dem hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 beinhalten kann. Die jeweiligen Bipolarplatten 24 der in den Figures gezeigten und hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsform beinhalten eine erhöhte Wulstdichtung 28, die sich um einen Außenumfang der Bipolarplatte 24 und/oder um eine innere Öffnung durch die jeweiligen Bipolarplatten 24 erstrecken kann. Zusätzlich beinhaltet die exemplarische Ausführungsform der in den Figures gezeigten und hierin beschriebenen Bipolarplatten 24 weiterhin einen hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 angrenzend neben der erhöhten Wulstdichtung 28. Wie in den Figures gezeigt, ist jede erhöhte Wulstdichtung 28 des Brennstoffzellenstapels 20 der exemplarischen Ausführungsform mit einer Mikrodichtung 27 dargestellt, die auf einander gegenüberliegenden Flächen der jeweiligen erhöhten Wulstdichtung aufgebracht ist.
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Bei der Herstellung des exemplarischen hierin beschriebenen Brennstoffzellenstapels 20 werden die Bipolarplatten 24 komprimiert, um die erhöhte Wulstdichtung 28 zu verformen und eine anvisierte Last auf die erhöhte Wulstdichtung 28 anzuwenden, um richtige Dichtungseigenschaften zu gewährleisten. 1 zeigt den Brennstoffzellenstapel 20 in einem anfänglichen, unkomprimierten Zustand. Wie zu sehen ist, sind die erhöhten Wulstdichtungen 28 sich gegenseitig berührend dargestellt, sind aber unter der Kompression noch nicht verformt. Dieser anfängliche, unkomprimierte Zustand ist allgemein durch den Nullpunkt im Diagramm der 4 dargestellt. 4 zeigt die angewendete Last auf einer ersten Achse 32, d. h. der y-Achse und die Verschiebung vom ursprünglichen unkomprimierten Zustand entlang einer zweiten Achse 34, d. h. der x-Achse. Bei der Herstellung wird der Brennstoffzellenstapel 20 unter einer angewendeten Last komprimiert. 2 zeigt den Brennstoffzellenstapel 20 in einem Zwischenzustand der Kompression mit den erhöhten Wulstdichtungen 28 teilweise verformt und den hochstehenden Kompressionsbegrenzern 30 nur in anliegendem Kontakt miteinander. Die Zwischenzustand der Kompression ist allgemein in 4 durch eine Linie dargestellt, die ein Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 repräsentiert.
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Die erhöhten Wulstdichtungen 28 sind ausgebildet, um eine allgemein konsistente Widerstandserhöhung zur angewendeten Last bereitzustellen. Die tatsächlich auf den Brennstoffzellenstapel 20 angewendete Last während der Kompression des Brennstoffzellenstapels 20 ist allgemein durch Linie 38 angegeben. Die allgemein konsistente Widerstandserhöhung zur angewendeten Last durch die erhöhten Wulstdichtungen 28 zwischen dem anfänglichen unkomprimierten Zustand und dem Zwischenzustand ist allgemein durch die geringe Steigung des Linienabschnitts 40 angegeben. Die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 sind jedoch so konzipiert, wesentliche zusätzliche Steifigkeit und/oder Widerstand gegen die Kompression der Brennstoffzellenstapel 20 bereitzustellen, um eine Deformation und/oder unelastische Verformung der erhöhten Wulstdichtungen 28 zu vermeiden. Die Deformation der hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 erfordert eine wesentlich größere angewendete Last als die Kompression der erhöhten Wulstdichtungen 28 allein. Die Erhöhung der angewendeten Last zum Verformen der hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 ist allgemein dargestellt durch die erhöhte Rate der Änderung der angelegten Last zur Verschiebung, allgemein durch Linienabschnitt 44 dargestellt. Die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 bieten daher einen erheblichen Widerstand gegen die Kompression durch die angewendete Kraft.
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Wenn eine anvisierte angewendete Last 46 für die erhöhte Wulstdichtung 28 größer als die angewendete Last ist, wenn sich die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 der Bipolarplatten 24 gegenseitig berühren, wie in 2 und durch das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 in 4 dargestellt, dann ist die Messung der angewendeten Last nicht mehr indikativ für die tatsächlich auf die erhöhte Wulstdichtung 28 angewendete Last. Daher kann die tatsächlich gemessene angewendete Last nicht zum Ermitteln der tatsächlichen Last an den erhöhten Wulstdichtungen 28 verwendet werden. Das hierin beschriebene Verfahren stellt ein Verfahren zur Erzielung der ordnungsgemäß angewendeten Soll-Last auf die erhöhten Wulstdichtungen 28 bereit, wenn die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 einen Widerstand gegen eine Komprimierung des Brennstoffzellenstapels 20 bieten.
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Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 20 beinhaltet das Anordnen der Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen 22 einschließlich ihrer jeweiligen Bipolarplatten 24 übereinander in einem unkomprimierten Stapel mit einer anfänglichen Höhe 48. Die Bipolarplatte 24 von mindestens einer der Brennstoffzellen 22 beinhaltet ein komprimierbares Merkmal 26. In der in den Figures dargestellten und hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsform beinhaltet jede der Bipolarplatten 24 jeder der entsprechenden Brennstoffzellen 22 ein komprimierbares Merkmal 26. Bei einigen Ausführungsformen kann das komprimierbare Merkmal 26 die erhöhte Wulstdichtung 28 beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann das komprimierbare Merkmal 26 den hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann das komprimierbare Merkmal 26 sowohl die erhöhte Wulsdichtung 28 als auch den hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 beinhalten. In noch anderen Ausführungsformen kann das komprimierbare Merkmal 26 einige andere Merkmale beinhalten, die in den Figuren nicht dargestellt oder hierin beschrieben sind. Während sich die nachfolgend beschriebene exemplarische Ausführungsform auf den hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 als komprimierbares Merkmal 26 bezieht, das der Kompression des Brennstoffzellenstapels 20 widersteht, sollte klar sein, dass das komprimierbare Merkmal 26 alternativ als die erhöhte Wulstdichtung 28 oder einige andere nicht dargestellte oder hierin beschriebene Merkmale definiert werden kann.
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Das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 wird für den Brennstoffzellenstapel 20 ermittelt oder definiert. Das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 ist der Weg, um den der Stapel von Brennstoffzellen 22 einschließlich des Stapels Bipolarplatten 24 von der anfänglichen Höhe 48 des unkomprimierten Stapels der Brennstoffzellen 22 aus komprimiert wird, bis das komprimierbare Merkmal 26 anfänglich wirkt oder von der gegenüberliegenden Brennstoffzelle und/oder Bipolarplatte berührt wird und beginnt, Widerstand gegen die Kompression des Stapels von Brennstoffzellen 22 und/oder Bipolarplatten 24 zu bieten, wie in 2 gezeigt ist. In der in den Figures dargestellten und hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsform ist das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 der Weg oder Betrag der Verschiebung von der anfänglichen Höhe 48 des Brennstoffzellenstapels 20 bis die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 miteinander in anliegendem Kontakt kommen.
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Das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 kann in jeder geeigneten Weise ermittelt werden. So kann beispielsweise eine maximale Höhe des kompressiblen Merkmals 26 auf jeder der Bipolarplatten 24 vor einer Verformung irgendeiner der komprimierbaren Eigenschaften 26 der Bipolarplatten 24 summiert werden, um eine zwischenliegende Stapelhöhe zu definieren. Die zwischenliegende Stapelhöhe kann dann von der anfänglichen Höhe 48 subtrahiert werden, um das Merkmal nicht berührender Verschiebeweg 36 zu bestimmen. In der hierin beschriebenen und gezeigten exemplarischen Ausführungsform kann die maximale Höhe der jeweiligen komprimierbaren Eigenschaften 26 als unkomprimierte oder unverformte Höhe der jeweiligen hochstehenden Kompressionsbegrenzers 30 jeder der Bipolarplatten 24 angesehen werden. Es sollte beachtet werden, dass die Brennstoffzellen 22 andere Schichten und/oder Komponenten beinhalten können und dass die Dicke dieser anderen Schichten und/oder Komponenten in die anfängliche Höhe 48 des Brennstoffzellenstapels 20 ebenso einbezogen werden kann. Da jedoch die Menge der Kompression oder Verformung dieser anderen Schichten erheblich geringer als die Kompression und/oder Verformung in den erhöhten Wulstdichtungen 28 und/oder hochstehenden Kompressionsbegrenzern 30 ist, ist für die Zwecke des hierin beschriebenen Verfahrens deren Beitrag zur anfänglichen Höhe 48 des Brennstoffzellenstapels 20 im Wesentlichen gleich ihrem Beitrag zu einer endgültigen Höhe der Brennstoffzellenstapels 20 und beeinflusst daher das hierin beschriebene Verfahren nicht wesentlich.
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Das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 kann ebenso auf andere Weise ermittelt werden. So kann beispielsweise das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 durch Identifizieren des Beginns eines starken Anstiegs im Verhältnis Last zu Verschiebung ermittelt werden. Unter Bezugnahme auf 4 ist dieser scharfe Anstieg allgemein durch Punkt 50 dargestellt. Das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 ist als die Verschiebung von der anfänglichen Höhe 48 zum Punkt 50 definiert, d. h. bis zum Beginn des starken Anstiegs im Verhältnis von Last zu Verschiebung.
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Sobald das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 definiert ist, wird der Stapel von Brennstoffzellen 22 mit einer variablen angewendeten Last 42 komprimiert. Die Stapel von Brennstoffzellen 22 wird von der anfänglichen Höhe 48 aus um einen Weg gleich dem Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 komprimiert. Wie oben erwähnt, zeigt 1 den Brennstoffzellenstapel 20 im unkomprimierten Zustand bei der anfänglichen Höhe 48. 2 zeigt den Brennstoffzellenstapel 20 komprimiert bis zum Merkmal unverformter Verschiebeweg 36. Wie in 4 zu sehen ist, erhöht sich die angewendete Last allmählich vom Beginn der Kompression des Brennstoffzellenstapels 20 nahe der anfänglichen Höhe 48 bis zum Merkmal unverformter Verschiebeweg 36, wie in 2 gezeigt ist. Während 4 diese allmähliche Erhöhung als eine lineare Erhöhung zeigt, sollte klar sein, dass diese Erhöhung auch nichtlinear sein kann.
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Während der Brennstoffzellenstapel 20 komprimiert wird, werden das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 von der anfänglichen Höhe 48, eine erste angewendete Last 52 bei einem ersten Verschiebeweg 54 von der anfänglichen Höhe 48 aus sowie eine zweite angewendete Last 58 bei einem zweiten Verschiebeweg 60 von der anfänglichen Höhe 48 aus gemessen. Während mindestens zwei Datenpunkte erfasst werden, d. h. ein erster Datenpunkt 56 und ein zweiter Datenpunkt 62 werden erfasst, wobei jeder Datenpunkt eine angewendete Last bei einem entsprechenden Verschiebeweg beinhaltet, sollte klar sein, dass mehr als zwei Datenpunkte erfasst werden können. Dementsprechend kann auch eine dritte angewendete Last 64 bei einem dritten Verschiebeweg 66 von der anfänglichen Höhe 48 aus erfasst werden, wodurch ein dritter Datenpunkt 68 bereitgestellt ist. Das Verfahren kann eine beliebige Anzahl erfasster Datenpunkte während der Komprimierung des Brennstoffzellenstapels 20 mit dem Merkmal Kontakt-Entfernung von der anfänglichen Höhe 48 beinhalten. Es sollte beachtet werden, dass alle erfassten Verschiebewege, z. B. der erste Verschiebeweg 54, der zweite Verschiebeweg 60, der dritte Verschiebeweg 66 usw. jeweils kleiner als das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 sind.
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Aus mindestens der ersten angewendeten Last 52 beim ersten Verschiebeweg 54 und der zweiten angewendeten Last 58 beim zweiten Verschiebeweg 60 wird eine am besten passende Kurve 70 ermittelt. Wenn mehr Datenpunkte erfasst werden, dann kann die am besten passende Kurve 70 aus allen Datenpunkten ermittelt werden. Wenn zum Beispiel auch die dritte angewendete Last 64 beim dritten Verschiebeweg 66 erfasst wurde, so kann sie auch dazu verwendet werden, die am besten passende Kurve 70 zu bestimmen. Die am besten passende Kurve 70 verläuft durch oder nahe aller Datenpunkte, d. h., die am besten passende Kurve 70 verläuft durch oder nahe der ersten angewendeten Last 52 beim ersten Verschiebeweg 54, der zweiten angewendeten Last 58 beim zweiten Verschiebeweg 60 und, wenn erfasst, der dritten angewendeten Last 64 beim dritten Verschiebeweg 66. Die am besten passende Kurve 70 kann linear oder nichtlinear sein. Es sollte beachtet werden, dass wenn nur zwei Datenpunkte erfasst werden, die am besten passende Kurve 70 linear ist und durch den ersten Datenpunkt 56, d. h. die erste angewendete Last 52 beim ersten Verschiebeweg 54, sowie den zweiten Datenpunkt 62, d. h. die zweite angewendete Last 58 beim zweiten Verschiebeweg 60, verläuft. Wenn jedoch mehr als zwei Datenpunkte erfasst worden sind, dann kann die am besten passende Kurve 70 linear oder nichtlinear sein. Dann kann ein endgültiger Verschiebeweg 72 von der anfänglichen Höhe 48 aus anhand der am besten passenden Kurve 70 für die anvisierte angewendete Last 46 berechnet werden. Die anvisierte angewendete Last 46 ist eine gewünschte angewendete Druckbelastung auf einen Dichtungsbereich des Stapels von Brennstoffzellen 22 und/oder Bipolarplatten 24. In der hierin beschriebenen und gezeigten exemplarischen Ausführungsform ist die anvisierte angewendete Last 46 die gewünschte Belastung auf die erhöhten Wulstdichtungen 28 der Bipolarplatten 24.
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Die am besten passende Kurve 70 kann in jeder geeigneten Weise ermittelt werden. So kann beispielsweise ein Computerprogramm verwendet werden, um die am besten passende Kurve 70 zu definieren und/oder eine Gleichung für diese beste Kurve zu formulieren. So kann beispielsweise das Ermitteln der am besten passenden Kurve 70 eine grafische Darstellung des ersten Datenpunkts 56, definiert durch die erste angewendete Last 52 gegenüber dem ersten Verschiebeweg 54, und des zweiten Datenpunkts 62, definiert durch die zweite angewendete Last 58 gegenüber dem zweiten Verschiebeweg 60, auf einem kartesischen Koordinatensystem beinhalten, welches die angewendete Last auf einer Achse gegenüber der gemessenen Verschiebung von der anfänglichen Höhe 48 aus auf einer anderen Achse darstellt. Die am besten passende Kurve 70 im kartesischen Koordinatensystem kann durch den ersten Datenpunkt 56 und den zweiten Datenpunkt 62 gezeichnet werden. Wenn mehr Datenpunkte erfasst wurden, können diese auch verwendet werden, um die am besten passende Kurve 70 zu zeichnen. Unter Bezugnahme auf 4 ist die am besten passende Kurve 70 allgemein durch die gestrichelte Linie 74 angegeben.
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Die am besten passende Kurve 70 ist bis zu einem Schnittpunkt 74 mit der anvisierten angewendeten Last 46 auf dem kartesischen Koordinatensystem verlängert. Wie oben erwähnt, ist die anvisierte angewendete Last 46 die gewünschte Belastung auf dem Dichtungsbereich der Bipolarplatte 24. In der hierin beschriebenen und gezeigten exemplarischen Ausführungsform ist der Dichtungsbereich als die erhöhten Wulstdichtungen 28 definiert. Dementsprechend ist die anvisierte angewendete Last 46 die gewünschte angewendete Belastung auf die erhöhten Wulstdichtungen 28 der Bipolarplatten 24. Der endgültige Verschiebeweg 72 kann dann auf der zweiten Achse 34 des kartesischen Koordinatensystems entsprechend dem Schnittpunkt 74 der am besten passenden Kurve 70 mit der anvisierten angewendeten Last 46 identifiziert werden.
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Alternativ kann die am besten passende Kurve 70 das Definieren einer Gleichung beinhalten, welche die am besten passende Kurve 70 vom ersten Datenpunkt 56, definiert durch die erste angewendete Last 52 gegenüber dem ersten Verschiebeweg 54, sowie dem zweiten Datenpunkt, definiert durch die zweite angewendete Last 58 gegenüber dem zweiten Verschiebeweg 60, repräsentiert. Wenn andere Datenpunkte erfasst wurden, so können sie auch verwendet werden, um die Gleichung für die am besten passende Kurve 70 zu definieren. Die Gleichung kann beispielsweise eine angewendete Last als Eingabe in der Gleichung erfordern. Das Ergebnis der Gleichung wäre der endgültige Verschiebeweg gemessen von der anfänglichen Höhe 48 des Brennstoffzellenstapels 20 aus. Die Gleichung der am besten passende Kurve 70 kann dann verwendet werden, um den endgültigen Verschiebeweg 72 für die anvisierte angewendete Last 46 zu berechnen.
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Sobald der endgültige Verschiebeweg 72 identifiziert und/oder berechnet wurde, wird der Brennstoffzellenstapel 20 weiter bis zum endgültigen Verschiebeweg 72 komprimiert, der von der anfänglichen Höhe 48 aus gemessen wird. 3 zeigt den Brennstoffzellenstapel 20 komprimiert bis zum endgültigen Verschiebeweg 72. Wie oben erwähnt, kann die tatsächliche angewendete Last nicht zum Messen der Belastung an den erhöhten Wulstdichtungen 28 verwendet werden, sobald der Brennstoffzellenstapel 20 über das Merkmal unverformter Verschiebeweg 36 hinaus komprimiert wird, weil die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 erheblich mehr Widerstand gegen die Druckbelastung bieten als die erhöhten Wulstdichtungen 28. Dementsprechend kann durch Extrapolation der am besten passenden Kurve 70 aus den erhaltenen Datenpunkten während der anfänglichen Kompression und/oder Verformung der erhöhten Wulstdichtungen 28, bevor die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 einen Widerstand gegen die angewendete Last bieten, danach der endgültige Verschiebeweg 72 im Zusammenhang mit der gewünschte Menge der Belastung auf die erhöhte Wulstdichtung 28 ermittelt werden. Durch Komprimieren des Brennstoffzellenstapels 20 von der anfänglichen Höhe 48 um den endgültigen Verschiebeweg 72 kann die tatsächliche Belastung an den erhöhten Wulstdichtungen 28 angenähert gleich dem gewünschten Ziel der angewendeten Last 46 auf die erhöhten Wulstdichtungen 28 sein. Das hierin beschriebene Verfahren ermöglicht die Verwendung von höheren hochstehenden Kompressionsbegrenzern 30, die sicherstellen, dass die hochstehenden Kompressionsbegrenzer 30 schneller eingreifen, um eine unelastische Verformung der erhöhten Wulstdichtungen 28 im Falle einer extremen Belastung zu verhindern.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Umsetzung der beanspruchten Lehren im Detail beschrieben werden, existieren verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.
