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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannvorrichtung zur Erzeugung einer Verspannungskraft, durch welche Einzelelemente eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle über Endplatten fixiert sind, sowie auf ein Verfahren zur Verspannung eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen einer Brennstoffzelle und auf die Verwendung der Spannvorrichtung zur Verspannung eines Stapelaufbaus.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellenstapel werden aus Einzelelementen in übereinandergestapelter Weise zu einem Stapelaufbau zusammengefügt. Für die Funktion einer Brennstoffzelle müssen die Einzelelemente gegeneinander gasdicht verpresst werden. Um eine derartige gasdichte Verpressung zu erreichen, werden beispielsweise gemäß
CA 2 648 189 A1 massiv ausgebildete Seitenwände eingesetzt, die den Stapelaufbau beziehungsweise die darin angeordneten Einzelelemente verbinden. Oder es werden Spannschrauben zur Ausbildung einer Verpressungskraft eingesetzt oder, wie aus
US 5,789,091 hervorgeht, eine oder mehrere dünne Bänder eingesetzt, mit denen formstabil ausgeführte Endplatten an einem jeweiligen Ende des Stapelaufbaus für die Brennstoffzelle gleichmäßig gegeneinander gedrückt oder gezogen werden.
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Es können jedoch Einzelelemente im Stapelaufbau elastisch sein, so zum Beispiel weisen Polymerelektrolytmembranen ein Quellverhalten auf, was abhängig von der herrschenden Feuchtigkeit und der herrschenden Temperatur ist. Andere Einzelelemente, die im Stapelaufbau für die Brennstoffzelle aufgenommen sind, können plastische Verformungen aufweisen, wie zum Beispiel Faservlieslagen, die als Gasdiffusionslagen eingesetzt werden, beispielsweise ausgelöst durch einen Faserbruch. Auch kommt es im Stapelaufbau für Brennstoffzellen zu Setzerscheinungen durch Zerrüttung einer mikroporösen Schicht aus Ruß oder aus PTFE. Andere Ursachen für das Setzverhalten liegen beispielsweise in Carbon Corrosion, die bei Graphitelementen auftreten kann.
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Zur Verpressung von Stapelaufbauten für Brennstoffzellen eingesetzte Schraubverbindungen weisen den Nachteil auf, dass diese im Betrieb nicht nachstellbar sind. Ein sich einstellendes Setzverhalten innerhalb des Stapelaufbaus sowie dessen elastische Verformung werden daher analog zu den Auslegungsregeln für Schraubverbindungen behandelt und in der Berechnung für die notwendigen Verpressungskräfte vorweggenommen. Oder es erfolgt eine Überkompensation durch das Einfügen zusätzlicher elastischer Elemente, wie beispielsweise Federlagen oder Gummielemente. Die gestapelten Einzelelemente werden nun innerhalb des Stapelaufbaus durch die nun notwendigerweise überhöhten Kräfte zur Vorwegnahme eines späteren Setzverhaltens zu hoch belastet, so dass sich eine umso stärkere Degradation einstellt.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Spannvorrichtung zur Erzeugung einer Verspannungskraft vorgeschlagen, durch welche Einzelelemente eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle über mindestens eine Endplatte fixiert sind, wobei die Spannvorrichtung Spannelemente umfasst, die durch horizontal oder vertikal verschiebbare Keile betätigt sind und die Verspannungskraft in den Stapelaufbau einleiten. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Verspannungskraft durch den Einsatz von Keilen erzeugt, Spannbänder werden beispielsweise durch verschiebbar angeordnete Keile gespannt. Der Stapelaufbau der Brennstoffzelle wird lediglich mit einer mechanischen Verspannungskraft belastet, die für den Nennbetrieb erforderlich ist, wohingegen eine Überkompensation einer Verspannung für ein möglicherweise späteres Setzen, d. h. ein Verspannungskraftverlust nicht vorgenommen wird, so dass die eingesetzten, innerhalb des Stapelaufbaus angeordneten Einzelelemente weniger stark belastet sind, so dass eine geringere Degradation auftritt.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst die Spannvorrichtung Spannelemente, die mindestens ein Spannband sowie relativ zueinander bewegbare Achsenträger zur Spannung des mindestens einen Spannbandes aufweisen.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannvorrichtung sind die Keile entweder entlang einer Anlagefläche in horizontale Richtung verschiebbar oder entlang einer zu dieser um 90° orientierten Anlagefläche in vertikale Richtung verschiebbar.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannvorrichtung sind die Keile über ein Betätigungselement verschiebbar, wobei das Betätigungselement die Keile entlang einer horizontal oder vertikal orientierten Anlagefläche auseinanderschiebt oder zusammenzieht.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung umfasst der erste Keil eine erste Keilfläche und der zweite Keil eine zweite Keilfläche, die die Achsenträger entweder in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung bewegen.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Spannvorrichtung kann das Betätigungselement als mindestens eine Stellschraube, als Piezo-Aktor oder auch als Pneumatik-/Hydraulikzylinder ausgebildet sein.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung spannt die vorgeschlagene Spannvorrichtung einen Stapelaufbau vor, indem mindestens ein Einzelelement aufgenommen ist, das ein Sensorfeld mit Einzelsensoren in Matrixanordnungen oder Einzelsensoren aufweist, die eine lokale Flächenpressung im Stapelaufbau ermitteln.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zur Verspannung eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen einer Brennstoffzelle mittels einer Spannvorrichtung, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Verspannen des Stapelaufbaus mit einer für einen Nennbetrieb der Brennstoffzelle notwendigen Verspannungskraft,
- b) Ausgleich eines Verlusts von Verspannungskraft durch Setzen der Einzelelemente im Stapelaufbau und
- c) Nachspannen der Spannvorrichtung durch Aktivierung des Betätigungselements.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt mittels der Spannvorrichtung ein selbsttätiges Nachspannen der Vorspannungskraft im Stapelaufbau. Beispielsweise können die Keile ein Rastelement umfassen und mit einer Feder vorgespannt sein. Der Stapel kann sich im Betrieb ausdehnen und drückt gegen die Rastung, wohingegen sich beim Abkühlen, Trocknen oder Setzen des Stapels die Verspannung in diesem vermindert. Nun ist die Kraft einer Feder groß genug, sodass die Keile beispielsweise eine Raste weitergerückt werden können.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden die Keile durch das Betätigungselement mit einer definierten Kraft betätigt, derart, dass eine definierte Verspannungskraft eingestellt wird, die bei Temperaturänderung oder Feuchteänderung auftretende Längenänderungen im Stapelaufbau kompensiert. Auftretende Längenänderungen liegen in einer relativ kleinen Größenordnung. Die Quellung beispielsweise einer Membran liegt zwischen 20 % und 50 %. Unter der Annahme, dass die Membran ca. 20 µm dick ist und insgesamt 400 Einzelzellen verbaut sind, ergibt sich ein Weg von 8 mm insgesamt. Ein durch das Quellen der Membran verursachter Weg liegt so zwischen 1,6 mm bis 4 mm. Im Stapelaufbau verbaute Carbonfaservliese haben in der Regel eine Dicke von 100 um bis 200 µm und sind beidseits einer Einzelzelle verbaut; davon sind insgesamt ca. 800 Stück verbaut. Im schlechtesten Fall liegt ein Anfangssetzen in der Größenordnung von 30 % bis 50 %. Unter der Annahme von 800 verbauten Carbonfaservliesen mit einem Setzen von 30 % bei einer Dicke von 100 µm ergeben sich Wege zwischen 24 mm bis 80 mm. Unter der Annahme, dass über die Zeit ein Setzen von 10 % zu erwarten ist, ergeben sich Wege, die in der Größenordnung von 2,4 mm bis 8 mm liegen. Die sich einstellende Größenordnung für die zu erwartenden Schwankungen im Betrieb hinsichtlich kleinerer Größenordnungen liegt zwischen 1 mm und 10 mm.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden größere Setzerscheinungen im Stapelaufbau über eine Verzahnung oder Rastnasen der Keile über einen größeren Weg kompensiert.
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Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Spannvorrichtung zur Verspannung eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen und mindestens einer Endplatte einer Brennstoffzelle.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein Stapelaufbau einer Brennstoffzelle auf mechanischem Wege durch die Verwendung von Keilen erzeugt wird, was bedeutet, dass der Stapelaufbau durch Verkeilen gespannt wird. Der Stapelaufbau ist nun mit einer mechanischen Vorpresskraft belastet, die für den Nennbetrieb notwendig ist. Eine Überkompensation der Verpressung zur Berücksichtigung eines Setzverhaltens, welches mit einem Verspannungskraftverlust einhergeht und bis zu 10 mm betragen kann, wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung nicht vorgenommen. Dies bedeutet, dass die innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle übereinanderliegend angeordneten Einzelelemente weniger stark belastet sind, demzufolge deren Degradation sinkt.
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Insbesondere ist eine Verspannung eines Stapelaufbaus durch Verwendung von paarweise angeordneten Keilen möglich. Als Betätigungselemente zur Betätigung der Keile, d. h. zum Ausgleich von Höhenänderungen, die in der Regel mit Verspannungskraftverlusten einhergehen, können die Keile über Schrauben, Piezo-Aktoren, Pneumatikzylinder oder Hydraulikzylinder, welche die Keile auseinanderziehen oder zusammenschieben betätigt werden, so dass eine ausreichende Verpressung des Stapels möglich wird.
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Weiterhin kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein selbsttätiges Nachspannen der Keilspannung erreicht werden. Die Keile können mit einer definierten Kraft betätigt werden, so dass sich über die Keilwirkung die geforderte Kraft bei relativ kleinem Verfahrweg ergibt. Bei einer schwellend auftretenden Belastung, wie beispielsweise bei Temperaturänderung oder Feuchteänderung können kleine Lageänderungen des Stapels durch die zuvor eingestellte definierte Kraft aufgefangen werden. Tritt hingegen ein größeres Setzen ein, so kann beispielsweise über Rastnasen oder Verzahnungen die an den Keilen vorgesehen sind, oder durch Aktivierung des Betätigungselementes ein größerer Weg nachgestellt werden und der kleine Weg für die Krafteinleitung steht wieder zur Verfügung, so dass die bei schwellender Belastung auftretenden kleinen Längenänderungen im Stapelaufbau kompensiert werden können.
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In vorteilhafter Weise können die Keile entweder in einer sich horizontal erstreckenden Orientierung oder in einer sich vertikal erstreckenden Orientierung angeordnet sein. Die bedeutet, dass die Bewegungsrichtung der Keile entweder in Stapelrichtung, d. h. vertikal oder quer zur Stapelrichtung, d. h. horizontal verläuft. Dies bedeutet, dass sich die Keile in der Ebene der Einzelelemente bewegen oder unter einem Winkel von 90° dazu.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels,
- 2 eine Draufsicht auf die obere Endplatte des Brennstoffzellenstapels gemäß 1 mit Spannvorrichtungen,
- 3 eine Seitenansicht des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle gemäß 1,
- 3.1 eine vergrößerte Darstellung des Freiraums zwischen den einander gegenüberliegenden Keilen und
- 4 eine schematische Darstellung eines Einzelelementes zur Aufnahme im Stapelaufbau mit einem Sensorfeld.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine Brennstoffzelle 10 zu entnehmen, die einen Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl übereinanderliegender Einzelelemente 14 aufweist. Der Stapelaufbau 12 ist durch eine erste Endplatte 16 sowie eine zweite Endplatte 18 begrenzt. Auf der ersten Endplatte 16 befindet sich eine Spannvorrichtung 19, von der in der Seitenansicht gemäß 1 jeweils eine Spannbandaufnahme 24 dargestellt ist. Die beiden Spannbänder 20 beziehungsweise 22 umschließen den Stapelaufbau 12 vollständig, der zwischen der ersten Endplatte 16 und der zweiten Endplatte 18 aufgenommen ist.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die erste Endplatte 16 des in 1 dargestellten Stapelaufbaus 12.
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Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass auf der Oberseite der ersten Endplatte 16 zwei parallel zueinander angeordnete Spannbandaufnahmen 24 angeordnet sind. Eine jede der Spannbandaufnahmen 24 umfasst einen ersten Achsenträger 28 sowie einen zweiten Achsenträger 30, die jeweils eine Achse 26 aufweisen und die in der Ebene gemäß der ersten Endplatte 16 relativ zueinander verschiebbar sind. An den beiden Achsenträgern 28, 30 befinden sich Achsen 26, über welche die Spannbänder 20 beziehungsweise 22 geführt sind. Wie aus der Draufsicht gemäß 2 des Weiteren hervorgeht, sind unter den beiden Spannbandaufnahmen 24 jeweils paarweise ein erster Keil 34 und ein zweiter Keil 36 vorgesehen. Zwischen den beiden Keilen 34, 36 befindet sich ein Freiraum 32. Die beiden Keile 34, 36 können gleichsinnig in eine Bewegungsrichtung 38 verschoben werden, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben werden wird. Die beiden Achsenträger 28, 30 einer jeden Spannbandaufnahme 24 sind in Bezug aufeinander bewegbar. Die jeweils um die Achsen 26 der Achsenträger 28, 30 geführten Spannbänder 20, 22 umschließen - wie in 1 dargestellt - den Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 vollumfänglich.
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3 zeigt eine Seitenansicht des Stapelaufbaus 12 der Brennstoffzelle 10 gemäß 1. Aus 3 geht hervor, dass der Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 aus übereinanderliegenden Einzelelementen 14 zusammengesetzt ist, und die erste Endplatte 16 sowie die zweite Endplatte 18 umfasst. Auf der Oberseite der ersten Endplatte 16 einer horizontal verlaufenden Anlagefläche 56, sind die beiden Keile 34, 36 der Spannvorrichtung 19 angeordnet. Beide Keile 34, 36 weisen jeweils eine Anlagefläche 56 auf, vgl. Darstellung gemäß 3.1. Die beiden Keile 34, 36 der Spannvorrichtung 19 können auf der horizontal verlaufenden Auflagefläche 44 durch ein Betätigungselement 48 bewegt werden. Bei dem Betätigungselement 48 handelt es sich beispielsweise um mindestens eine Stellschraube 50, oder um einen Piezo-Aktor 52 oder um einen Pneumatik-/ Hydraulikzylinder 54.
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Aus 3 lässt sich des Weiteren entnehmen, dass der erste Keil 34 eine erste Keilfläche 40 und der zweite Keil 36 eine zweite Keilfläche 42 aufweist. Die beiden Keilflächen 40, 42 erstrecken sich unter den Achsenträgern 28, 30, so dass bei einer Bewegungsrichtung 38 in horizontale Richtung 58 die Achsenträger 28, 30 entweder auseinander gefahren werden oder zusammengeschoben werden. Je nach Bewegungsrichtung 38 des ersten Keiles 34 bzw. des zweiten Keiles 36 verändert sich die Verspannungskraft 46, mit welcher der Stapelaufbau 12 verspannt ist.
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3.1 ist eine vergrößerte Darstellung der Spannvorrichtung 19 zu entnehmen.
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Freiraum 32 zwischen dem ersten Keil 34 und dem zweiten Keil 36 befindet sich das Betätigungselement 48, welches die beiden Keile 34, 36 in der sich die in horizontale Richtung 58 erstreckenden Auflagefläche 44 bewegt. Bei dem Betätigungselement 48 kann es sich beispielsweise um Stellschrauben 50, einen Piezo-Aktor 52 oder um einen Pneumatik-- bzw. Hydraulikzylinder 54 handeln.
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Alternativ zur Darstellung gemäß 3.1, in der eine horizontale Anlagefläche 56 dargestellt ist, könnten die Keile 34, 36 auch in vertikale Richtung 60 verschoben werden, um eine Änderung der Verspannungskraft 46 in den beiden Spannbändern 20 bzw. 22 zu erreichen. Werden die Keile 34, 36 jeweils um 90° verdreht, kann eine Orientierung derselben in vertikale Richtung 60 erreicht werden, sodass eine Änderung der Verspannungskraft 46 in den beiden Spannbändern 20 beziehungsweise 22 in einer sich im Wesentlichen vertikal seitlich an der Stapelfläche erstreckenden Richtung erreicht werden kann.
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4 ist eine Draufsicht auf ein Einzelelement 14 im Stapelaufbau 12 zu entnehmen. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass ein Einzelelement 14 ein Sensorfeld 70 umfasst. Dieses enthält eine Matrixanordnung 74 aus Einzelsensoren 76, während ein Randbereich 72 des Einzelelementes 14 frei von Einzelsensoren 76 ist. Über das Sensorfeld 70 gemäß der Darstellung in 4 kann eine lokale Flächenpressung innerhalb des Stapelaufbaus 12 erreicht werden und zur Änderung der Verspannungskraft 46 genutzt werden.
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Dies Einzelelement 14 mit dem Sensorfeld 70 ist innerhalb des Stapelaufbaus 12 an beliebiger Stelle aufgenommen und kann beispielsweise einer der beiden Endplatten 16 beziehungsweise 18 zugeordnet sein.
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Durch die anhand der oben stehend beschriebenen 1 bis 4 dargestellte erfindungsgemäße Lösung wird der Stapelaufbau 12 mechanisch geklammert und beispielsweise durch die beiden Spannbänder 20 bzw. 22 verpresst. Die Axialkraft, d.h. die Verspannungskraft 46 wird durch die Keile 34, 36 erzeugt, was bedeutet, dass der Stapelaufbau 12 durch Verkeilen gespannt wird. Der Stapelaufbau 12 ist mit der mechanischen Verspannungskraft 46 belastet, die für den Nennbetrieb der Brennstoffzelle 10 notwendig ist. Eine Überkompensation der Verspannungskraft 46 für ein Setzverhalten der Einzelelemente 14, was mit einem Verlust an Verspannungskraft 46 einhergeht, und welches beispielsweise 10 mm betragen kann, wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung nicht vorgenommen. Das bedeutet, dass die innerhalb des Stapelaufbaus 12 übereinanderliegend gegeneinander verspannten Einzelelemente 14 mechanisch weniger stark belastet sind und die Degradation sinkt.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann ein selbsttägiges Nachspannen der Verspannungskraft 46 erfolgen. Das Nachspannen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Keile 34, 36 jeweils ein Rastelement aufweisen und mittels einer Feder vorgespannt sind. Bei einer Ausdehnung des Stapelaufbaus 12 während des Betriebs drückt dieser gegen die Klemmung beziehungsweise Raste. Beim Abkühlen oder beim Trocknen oder beim Setzen des Stapelaufbaus 12 nimmt die Vorspannung innerhalb des Stapelaufbaus 12 ab. Nunmehr ist die Kraft der Feder groß genug, sodass die Keile 34, 36 eine Raste weiter gerückt werden können.
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Die Keile 34, 36 werden mit einer definierten Kraft betätigt, so dass sich über die Keilwirkung die geforderte Kraft bei relativ kleinem Weg ergibt. Bei einer schwellenden Belastung, wie beispielsweise bei einer Temperaturänderung oder bei Feuchteänderungen, können kleine Längenänderungen des Stapelaufbaus 12 durch die definierte Kraft aufgefangen werden. Tritt hingegen ein größeres Setzen auf, so kann beispielsweise über Rastnasen oder Zähne, die in den Keilen 34, 36 vorgesehen sind, oder über das Betätigungselement 48 in seinen oben dargestellten Ausführungsvarianten ein größerer Weg nachgestellt werden, wohingegen der kleinere Weg für die Krafteinleitung nunmehr wieder zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Spannvorrichtung 19 kann sich in horizontale Richtung 58 verschiebbare Keile 34, 36 aufweisen oder auch sich in vertikale Richtung 60 verschiebbare Keile aufweisen. Die Bewegungsrichtung der Keile 34, 36 kann demnach in Stapelrichtung des Stapelaufbaus 12 verlaufen oder quer dazu.
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Hinsichtlich der Größenordnung der Längenänderung im Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 ist darauf hinzuweisen, dass die Quellung von Einzelelementen 14, wie beispielsweise Membranen, zwischen 20 % und 50 % betragen kann. Angenommen, eine Membran ist 20 µm dick und es sind insgesamt 400 Einzelelemente 14 verbaut, so ergibt sich ein Weg von 8 mm und unter Berücksichtigung der Prozentangaben eine Längenänderung, die zwischen 1,6 mm bis 4 mm liegt. Die im Stapelaufbau 12 ebenfalls verbauten Carbonfaservliese haben eine Dicke von 100 µm bis 200 µm. Da zwei Stück pro Einzelelement 14 verbaut werden, werden insgesamt 800 Stück Carbonfaservliese verbaut. Unter Annahme des ungünstigsten Szenarios und unter Annahme einer Längenänderung von 30 % bis 50 % ergibt sich ein Anfangssetzen bei 800 verbauten Carbonfaservliesen unter einem Anfangssetzen von 30 % und einer Dicke von 100 µm ein Weg zwischen 24 mm bis 80 mm. Angenommen, es sind über die Zeit 10 % des Setzverhaltens zu erwarten, so ergeben sich aus dem Setzen von Carbonfaservliesen innerhalb des Stapelaufbaus 12 Längenänderungen in der Größenordnung von zwischen 2,4 mm bis 8 mm.
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Diese Größenordnung könnte man für die zu erwartenden Schwankungen im Betrieb des Stapelaufbaus 12 hinsichtlich kleiner Größenordnungen zwischen 1 mm und 10 mm als Bereich eingrenzen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CA 2648189 A1 [0002]
- US 5789091 [0002]
