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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, mit einem Stellelement.
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Stand der Technik
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Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
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Aus der
US5789091 A ist ein als Brennstoffzellenstapel ausgebildeter Zellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels Spannvorrichtungen verspannt sind.
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Für die Funktionen „elektrische Leitfähigkeit“ und „Dichtheit“ in dem Brennstoffzellenstapel müssen die Einzelzellen gegeneinander verpresst werden, was mit Hilfe der Spannvorrichtungen geschieht. Werden die Einzelzellen im Brennstoffzellenstapel allerdings lokal zu stark verpresst, ändert sich zum einen die Rückdiffusion durch eine Membran in der Einzelzelle, zum anderen besteht die Gefahr, dass die Strukturen der Membran lokal beschädigt werden und es beispielsweise zu lokalen kleinen initialen elektrischen Kurzschlüssen oder sogenanntem Wasserstoffcrossover kommt. Unter elektrischem Kurzschluss soll dabei insbesondere eine Beschädigung der Membran durch bleibenden Durchtritt und elektronischen Kurzschluss von leitfähigen Komponenten/Partikeln wie beispielsweise Graphitfaserenden aus Gasdiffusionslagen verstanden werden.
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Unter Wasserstoffcrossover soll dabei insbesondere eine kurzzeitige Perforation (Lochung) der Membran ohne elektronischen Kurzschluss verstanden werden.
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Im Betrieb des Zellenstapels, insbesondere auch bei wechselnden Temperaturbelastungen, sollte also idealerweise eine konstante Flächenpressung in den Einzelzellen aufrecht erhalten werden, um die Funktionen sicherzustellen und eine möglichst hohe Lebensdauer zu erhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Zellenstapel, insbesondere Brennstoffzellenstapel, weist eine Flächenpressung in einem definierten Bereich auf, bevorzugt sogar eine im Wesentlichen konstante Flächenpressung.
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Dazu umfasst der Zellenstapel mehrere Einzelzellen, wobei die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels zumindest einer Spannvorrichtung verspannt sind. Weiterhin weist der Zellenstapel ein Stellelement zur Einstellung einer auf die Einzelzellen wirkenden Verspannung auf.
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Die auf die Einzelzellen wirkende Verspannung liegt dort als Flächenpressung in den einzelnen Elementen an. Durch das Stellelement bzw. der daraus resultierenden möglichst gleichbleibenden Verspannung ist gewährleistet, dass die Funktionen „elektrische Leitfähigkeit“ und „Dichtheit“ des Zellenstapels erfüllt werden, ohne dabei die Lebensdauer des Zellenstapels zu beeinträchtigen. Auch ein mechanisches Nachspannen der Spannvorrichtung während einer Instandhaltung des Zellenstapels kann dadurch entfallen.
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Das Stellelement kann beispielsweise direkt auf die Spannvorrichtung oder auf eine der beiden Endplatten wirken. Das Stellelement kann die Einzelzellen belastbar und/oder entlastbar ausgebildet sein. Die Ausführung hängt dabei insbesondere davon ab, ob die Verspannung in erster Linie bezüglich eines Setzverhaltens des Zellenstapels oder eines Quellens der Membranen der Einzelzellen oder einer Temperaturbelastung des Zellenstapels angepasst werden soll.
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Zum Ausgleich eines Setzverhaltens des Zellenstapels muss das Stellelement die Einzelzellen belastbar ausgebildet sein, um die notwendige Flächenpressung in den Einzelzellen aufrecht zu erhalten.
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Zum Ausgleich eines Quellens der Membranen muss das Stellelement die Einzelzellen entlastbar ausgebildet sein, da das Quellen im Zusammenhang mit der Spannvorrichtung andernfalls zu einem unzulässigen Anstieg der Flächenpressungen und damit zu mechanischen Schäden in den Einzelzellen führen würde.
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Für die Temperaturbelastung des Zellenstapels sind der Temperaturgradient von den Einzelzellen zu der Spannvorrichtung und die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Einzelzellen und Spannvorrichtung ausschlaggebend.
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In bevorzugten Ausführungen ist das Stellelement als Piezo-Aktor ausgeführt; dann kann es bedarfsgerecht alle Belastungen - also Setzverhalten, Quellen, Temperaturbelastung und weitere - ausgleichen, nämlich durch quantitative Anpassung der Bestromung des Piezo-Aktors, gegebenenfalls auch durch eine anliegende Grundbestromung beim Start des Zellenstapels.
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In bevorzugten Ausführungen weist der Zellenstapel einen Verspannungssensor auf. Dies können beispielsweise ein Dehnmessstreifen auf der Spannvorrichtung oder eine Messfolie in dem Zellenstapel sein. Weiterhin kann auch das Stellelement so ausgeführt sein - bevorzugt als Piezo-Aktor bzw. Piezo-Element -, dass es sowohl Stellelement als auch Verspannungssensor ist. Dadurch können Auswirkungen wie das Setzverhalten oder auch das Quellen detektiert werden.
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Die Erfindung umfasst demzufolge auch ein Verfahren zum Ausgleich eines Setzverhaltens des Zellenstapels. Der Zellenstapel weist dazu den Verspannungssensor und ein Steuergerät auf. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, Daten des Verspannungssensors zu bearbeiten und das Stellelement anzusteuern. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- - Berechnung des Vorspannkraftverlustes aufgrund der Daten aus dem Verspannungssensor. Der Verspannungssensor übermittelt also Daten an das Steuergerät, woraufhin dieses einen Vorspannkraftverlust ermittelt, welchen die Spannvorrichtung erfahren hat.
- - Danach wird der Vorspannkraftverlust durch das Stellelement nachgestellt bzw. kompensiert. Das Steuergerät steuert also das Stellelement an, welches die Einzelzellen belastbar ausgeführt ist, so dass die Vorspannung wieder auf die gewünschte Vorspannung erhöht wird.
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In bevorzugten Weiterbildungen weist der Zellenstapel einen Feuchtigkeitsdetektor auf. Damit kann ein Quellverhalten der Membranen berechnet werden und demzufolge mit dem Stellelement gegengesteuert werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin auch ein Verfahren zum Ausgleich eines Quellens des Zellenstapels, insbesondere der Membranen des Zellenstapels. Der Zellenstapel weist den Feuchtigkeitsdetektor und ein Steuergerät auf. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, Daten des Feuchtigkeitsdetektors zu bearbeiten und das Stellelement anzusteuern. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- - Berechnung der Vorspannkrafterhöhung aufgrund der Daten aus dem Feuchtigkeitsdetektor. Der Feuchtigkeitsdetektor übermittelt also Daten an das Steuergerät, woraufhin dieses eine potentielle Vorspannkrafterhöhung ermittelt, welche die Spannvorrichtung und damit auch die Einzelzellen erfahren haben bzw. erfahren würden.
- - Danach wird die potentielle Vorspannkrafterhöhung durch das Stellelement nachgestellt bzw. verringert. Das Steuergerät steuert also das Stellelement an, welches die Einzelzellen entlastbar ausgeführt ist, so dass die Vorspannung wieder auf die gewünschte Vorspannung reduziert wird bzw. proaktiv auf eine konstante Vorspannung geregelt wird.
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In vorteilhaften Ausführungen weist der Zellenstapel einen Temperatursensor auf. Damit kann eine Änderung der Verspannungskraft aufgrund der Temperaturbelastungen berechnet werden und demzufolge mit dem Stellelement gegengesteuert werden.
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Die Erfindung umfasst weiterhin auch ein Verfahren zum Ausgleich einer Temperaturbelastung auf den Zellenstapel. Der Zellenstapel weist den Temperatursensor und ein Steuergerät auf. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, Daten des Temperatursensors zu bearbeiten und das Stellelement anzusteuern. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- - Berechnung der Vorspannkraftänderung aufgrund der Daten aus dem Temperatursensor. Der Temperatursensor übermittelt also Daten an das Steuergerät, woraufhin dieses eine potentielle Vorspannkraftänderung ermittelt, welche die Spannvorrichtung erfahren hat bzw. erfahren würde.
- - Danach wird die potentielle Vorspannkraftänderung durch das Stellelement nachjustiert bzw. proaktiv auf eine konstante Vorspannkraft geregelt. Das Steuergerät steuert also das Stellelement an bzw. regelt es so, dass die Vorspannung auf die gewünschte Vorspannung nachjustiert wird bzw. proaktiv auf eine konstante Vorspannung geregelt wird.
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In vorteilhaften Ausführungen ist das Stellelement in einem Hohlraum des Zellenstapels angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Hohlraum dabei als Fluidkanal ausgebildet. Insbesondere an dem dem Eingang gegenüberliegenden Ende des Fluidkanals wird für die Fluidströmung nicht mehr der gesamte Querschnitt des Fluidkanals benötigt, so dass das Stellelement dort ohne zusätzlichen Bauraumbedarf angeordnet werden kann.
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Vorteilhafterweise ist das Stellelement als Piezo-Aktor mit einem Piezoelement ausgeführt. Dadurch können große Kräfte auf die Einzelzellen, beispielsweise zum Ausgleichen des Setzverhaltens, aufgebracht werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Stellelement ein mit dem Piezoelement zusammenwirkendes Wirkelement auf. Dadurch kann beispielsweise die Kraftübertragung verbessert werden, ein Hebel verwendet werden, ein anderweitiger Übersetzter - beispielsweise ein fluidischer Koppler - verwendet werden, oder auch ein Toleranzausgleich durchgeführt werden.
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In vorteilhaften Ausführungen wirkt das Wirkelement mit einer der Endplatten zusammen. Üblicherweise sind die Endplatten deutlich steifer ausgeführt als die Einzelzellen, so dass eine lokale Kraft des Wirkelements auf die Endplatte sehr gut in homogene Flächenpressungen in den Einzelzellen umgesetzt werden kann. Spannungsspitzen werden somit wirkungsvoll vermieden.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgebildeten Zellenstapel. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Zellenstapel genannten Vorteile auf, insbesondere robuste Funktionalität bei erhöhter Lebensdauer. Weiterhin kann auf eine Nachjustierung der Verspannung des Zellenstapels in den Wartungsintervallen verzichtet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 schematisch einen Zellenstapel im Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 einen Schnitt durch einen Zellenstapel mit einem Stellelement, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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1 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Zellenstapel 1 weist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere Einzelzellen 4 auf, welche zwischen einer ersten Endplatte 2 und einer zweiten Endplatte 3 mittels zumindest einer Spannvorrichtung 10 verspannt sind. Die Einzelzellen 4 umfassen - ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt - eine Membran-Elektroden-Einheit, welche zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte quasi hälftig zu einer der beiden jeweils benachbarten Einzelzellen 4 gehört. Üblicherweise weisen die jeweils an die Endplatten 2, 3 grenzenden Einzelzellen 4 dann eine sogenannte Monopolarplatte auf.
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In der Ausführung der 1 ist die Spannvorrichtung 10 als Spannband ausgeführt und an Befestigungspunkten 6 fixiert. Der Zellenstapel 1 kann dabei auch mehrere Spannvorrichtungen 10 aufweisen. Üblicherweise werden die Spannvorrichtungen 10 mittels Schraubverbindungen fixiert und/oder an den Befestigungspunkten 6 verklemmt. Herkömmliche Schraubverbindungen können im Betrieb des Zellenstapels 1 allerdings nicht nachjustiert werden.
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Erfindungsgemäß weist daher der Zellenstapel 1 ein Stellelement 11 auf. In der Ausführung der 1 ist das Stellelement 11 als Piezo-Aktor ausgeführt. Alternativen sind hydraulische, pneumatische und elektromagnetische Stellelemente 11.
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Vorzugsweise werden die thermisch hervorgerufenen Änderungen einer Länge des Zellenstapels 1 in seiner Stapelrichtung bzw. z-Richtung im Betrieb durch eine geeignete Material- und Querschnittswahl der Spannvorrichtungen 10 kompensiert. Jedoch werden Längenänderungen des Zellenstapels 1 auch durch andere physikalische Effekte, beispielsweise durch Feuchtigkeitsquellung hervorgerufen. Weiterhin erfolgt auch ein plastisches Setzen des Zellenstapels 1 über die Zeit. Derartig hervorgerufene Längenänderungen des Zellenstapels 1 können nun erfindungsgemäß durch das Stellelement 11 ausgeglichen werden, so dass idealerweise die auf die Einzelzellen 4 wirkenden Spannkräfte über die Lebensdauer des Zellenstapels 1 konstant bleiben.
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Im Betrieb des Zellenstapels 1 kann somit durch das Stellelement 11 die auf die Einzelzellen 4 wirkende Verspannungskraft reguliert werden und damit auch eine optimale Verpressung bzw. Flächenpressung in den Einzelzellen 4 erreicht werden. Quillt beispielsweise im Betrieb eine Membran der Einzelzelle 4 durch geänderte Feuchtigkeit bei konstanter Temperatur, dann kann über das Stellelement 11 die mechanische Kraft reduziert werden, um zu hohe Flächenpressungen und damit Degradation der Einzelzellen 4 vermeiden.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist das Stellelement 11, insbesondere wenn es als Piezo-Aktor ausgebildet ist, in einem Hohlraum 15 des Zellenstapels 1 angeordnet, insbesondere in einem Fluidkanal. Dadurch bleibt der Zellenstapel 1 kompakt gebaut. In der Ausführung der 1 sind zwei als Fluidkanäle ausgebildete Hohlräume gezeigt. Die Fluidkanäle können beispielsweise Umgebungsluft, Wasserstoff oder Kühlmedium leiten. In der Ausführung der 1 wird das Fluid durch einen Eingang 8 durch die untere Endplatte 3 in den rechten Hohlraum 15 geleitet; von dort werden die Einzelzellen 4 mit dem Fluid versorgt. Aus den Einzelzellen 4 strömt das Fluid - verbraucht, unverbraucht oder auch reagiert - weiter in den linken Hohlraum 15, und von dort durch einen Ausgang 9, welcher ebenfalls durch die untere Endplatte 3 führt, aus dem Zellenstapel 1 heraus.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Zellenstapel 1 mit einem als Piezo-Aktor ausgeführten Stellelement 11, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Stellelement 11 weist ein Piezoelement 23 auf, welches in einem Topf 22 angeordnet ist. Der Topf 22 ist an einer Hülse 21 fixiert bzw. mit dieser einstückig verbunden. Vorzugsweise weist der Topf 22 in z-Richtung dabei eine deutlich geringere Länge auf als die Hülse 21, welche sich von der ersten Endplatte 2 zur zweiten Endplatte 3 erstreckt. Die Hülse 21 ist an der zweiten Endplatte 3 fixiert, in der Ausführung der 2 mittels eines Pressverbands 21a. Die Hülse 21 ist nicht an der ersten Endplatte 2 fixiert, so dass sich Hülse 21 und Topf 22 relativ zur ersten Endplatte 2 zumindest in z-Richtung verschieben können.
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Das Piezoelement 23 stützt sich an einem Boden des Topfes 22 ab und wirkt auf ein Wirkelement 25, welches in der Ausführung der 2 als Hebelarm ausgebildet ist und um eine Drehachse 24 kippbar gelagert ist, so dass es mit einer Übersetzung oder auch Untersetzung auf die erste Endplatte 2 wirken kann. Das Stellelement 11 stellt also in der Ausführung der 2 eine Wirkverbindung zwischen der ersten Endplatte 2 und der zweiten Endplatte 3 dar. Bei Bestromung des Piezoelements 23 dehnt sich dieses aus und übt dadurch in der Ausführung der 2 mittelbar eine Druckkraft auf die nicht dargestellten Einzelzellen 4 aus, welche zwischen den Endplatten 2, 3 verspannt sind, und unterstützt somit die Wirkung der Spannvorrichtung 10 bzw. entlastet die Spannvorrichtung 10.
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In alternativen Ausführungen kann das Stellelement 11 jedoch auch so ausgeführt sein, dass es der Wirkung der Spannvorrichtung 10 entgegenwirkt bzw. die Spannvorrichtung 10 belastet.
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Der Querschnitt des Piezo-Aktors ist vergleichsweise gering, so dass er problemlos in einen Hohlraum 15 des Zellenstapels 1 eingeschoben werden kann, insbesondere wenn sein Ende in einer Hülse 21 steckt, die die Kraft aus dem Hohlraum 15 heraus übertragen kann. Im Bereich des vergleichsweise kleinen Piezoelements 23 stehen in der Umgebung einer Endplatte 2, 3 räumlich eng beieinander große Kräfte zur Verfügung.
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Der Hohlraum 15 ist dabei bevorzugt ein Fluidkanal des Zellenstapels 1. Ist der Zellenstapel 1 als Brennstoffzellenstapel ausgebildet, weist er Fluidkanäle für Sauerstoff bzw. Luft und für Wasserstoff auf, in weiterbildenden Ausführungen auch für Kühlmedium. In besonders bevorzugten Ausführungen ist das Stellelement 11 dann in einem Fluidkanal für Kühlmedium angeordnet, so dass eine gute Kühlung des Stellelements 11 vorliegt.
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Besonders bevorzugt ist das Stellelement 11 nicht an der Endplatte 3 beim Eingang 8 der Fluidkanäle angeordnet, sondern an der gegenüberliegenden Endplatte 2. Schon auf halbem Durchströmungsweg eines Fluidkanals wird nämlich für das durchströmende Fluid nur noch die Hälfte des Querschnitts benötigt, da ja schon die Hälfte der Einzelzellen 4 entsprechend mit Fluid versorgt wurden. Damit kann beispielsweise im letzten Drittel eines 300 mm hohen Zellenstapels 1 ein Piezo-Aktor mit 100 mm Länge, der die Hälfte des Querschnitts eines Fluidkanales benötigt ohne Störung für den Betrieb des Zellenstapels 1 eingeschoben werden.
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Soll das als Piezo-Aktor ausgeführte Stellelement 11 nicht nur mechanische Spannung aufbauen oder justieren, sondern auch einen größeren Weg ermöglichen, so wird seine Längsausdehnung bevorzugt mittels des um die Drehachse 24 kippbaren Wirkelements 25 übersetzt. Das Wirkelement 25 wirkt als Hebelarm in der Ausführung der 2 auf die obere Endplatte 2 und sorgt bei Ausdehnung des Piezo-Aktors für eine zusätzliche Verspannung der Einzelzellen 4, wirkt also bei Bestromung die Einzelzellen 4 belastend und damit die Spannvorrichtung 10 entlastend. Eine derartige Wirkrichtung kann zum Beispiel zum Ausgleich des Setzverhaltens des Zellenstapels 1 verwendet werden, um die für die Funktionalitäten benötigte Flächenpressung aufrecht zu erhalten. Für einen Ausgleich des Quellens der Membranen im Betrieb des Zellenstapels 1 wäre dann eine Entlastung der Einzelzellen 4 durch das Stellelement 11 erforderlich, beispielsweise durch eine Verringerung der Bestromung für den Aufbau nach 2 oder eine entgegen gerichtete Wirkrichtung des Wirkelements 25 auf die obere Endplatte 2.
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Die elektrische Spannung, welche zum Betreiben des Piezo-Aktors erforderlich ist, kann von einem System des Zellenstapels 1 abgegriffen werden, beispielsweise von einer Batterie eines Brennstoffzellensystems, in welchem der Zellenstapel 1 als Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
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In weiterbildenden Ausführungen weist der Zellenstapel 1 einen oder mehrere Verspannungssensoren auf, welche dazu geeignet sind die Flächenpressung in den Einzelzellen 4 zu ermitteln bzw. zu berechnen. Der Verspannungssensor kann dabei beispielsweise als Sensorfolie bzw. als Messfolie oder als Piezosensor ausgeführt sein; der Piezosensor kann dabei auch gleichzeitig der Piezo-Aktor sein. In Abhängigkeit der durch den Verspannungssensor ermittelten Flächenpressung in den Einzelzellen 4 kann nun das Stellelement 11 angesteuert werden, um die optimale Flächenpressung einzustellen. Das Stellelement 11 kann dabei sowohl eine Verkürzung als auch eine Verlängerung des Zellenstapels 1 erzwingen.
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Alternativ oder ergänzend dazu kann der Zellenstapel 1 auch einen Feuchtigkeitsdetektor aufweisen. Der Feuchtigkeitsdetektor detektiert ein Aufquellen der Einzelzellen 4 bzw. der Membranen der Einzelzellen 4 durch Wasser. Der Feuchtigkeitsdetektor kann dabei beispielsweise ein Wasserdetektor sein oder auch über ein Kennfeld in einem Steuergerät des Zellenstapels 1 hinterlegt sein. Das Stellelement 11 kann dann in Abhängigkeit der Feuchtigkeit der Einzelzellen 4 bzw. in Abhängigkeit eines Quellens so angesteuert werden, dass die Flächenpressung in den Einzelzellen 4 im Wesentlichen konstant bzw. in einem definierten Bereich bleibt.
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Weiterhin kann der Zellenstapel 1 auch einen oder mehrere Temperatursensoren aufweisen, mit welchen eine Temperaturbelastung auf den Zellenstapel 1 detektiert wird. Je nach Temperaturverteilung in dem Zellenstapel 1 und Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Bauteile kann daraus eine Änderung - also Erhöhung oder Verringerung - der Verspannung bzw. der Vorspannkraft aus der Spannvorrichtung 10 ermittelt werden.
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Der Zellenstapel 1 umfasst weiterhin ein Steuergerät, welches aus den Daten der Sensoren bzw. Detektoren eine Ansteuerung bzw. Regelung für das Stellelement 11 berechnet, und dieses dann auch entsprechend ansteuert bzw. regelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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