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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser, elektrische Energie und Wärme umwandeln.
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Innerhalb einer Membran-Elektroden-Anordnung bzw. „MEA“ einer Brennstoffzelle finden elektrochemische Teilreaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff getrennt durch eine Membran der MEA statt. Die Teilreaktionen finden dabei innerhalb einer Katalysatorschicht auf einer sog. aktiven Fläche der MEA statt.
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Die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff werden zusammen mit einer Kühlflüssigkeit über eine sog. Bipolarplatte bzw. „BPP“ in die Brennstoffzelle geleitet und gleichmäßig über die aktive Fläche verteilt.
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Um eine Leistungsausbeute einer Brennstoffzelle Zelle zu maximieren, werden mehrere Brennstoffzellen, bestehend aus MEA und BPP, in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt.
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Um ein Austreten von Reaktionsgasen und Kühlflüssigkeit aus einem Brennstoffzellenstapel zu verhindern, werden die Brennstoffzellen mittels eines Spannsystems zwischen zwei Endplatten verspannt.
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Die Endplatten leiten eine durch das Spannsystem bereitgestellte Spannkraft auf die Brennstoffzellen, um den Brennstoffzellenstapel abzudichten und eine ausreichend hohe Flächenpressung auf jeweilige aktive Flächen zu gewährleisten, sodass ein Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Schichten des Brennstoffzellenstapels minimiert wird.
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Bei bekannten Spannsystemen erfolgt eine Übertragung der Spannkraft auf die aktiven Flächen in der Regel von außen, d.h. aus Richtung einer Umgebung der aktiven Flächen, da die Spannungssysteme neben der aktiven Fläche verlaufen. Eine gleichmäßige Flächenpressung der aktiven Flächen setzt daher eine grundlegende Steifigkeit der Endplatten voraus, sodass die Spannkraft homogen über die gesamten aktiven Flächen eingebracht wird.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass trotz stark dimensionierter Endplatten eine mechanische Verformung jeweiliger Brennstoffzellen auftreten kann, sodass sich innerhalb der aktiven Fläche eine inhomogene Flächenpressung und dadurch unterschiedliche Reaktionsbedingungen ergeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellenstapel und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Brennstoffzellenstapels vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere zur Erzeugung einer homogenen Flächenpressung über die gesamte aktive Fläche einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, sodass entlang der gesamten aktiven Fläche gleichmäßige Reaktionsbedingungen vorliegen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von elektrischem Strom vorgestellt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl Endplatten, eine Vielzahl zwischen den Endplatten angeordneter Brennstoffzelle, ein Spannsystem und mindestens ein Ausgleichselement. Die Brennstoffzellen umfassen jeweils eine aktive Fläche zum Erzeugen von elektrischem Strom und eine passive Fläche zum Befestigen in dem Brennstoffzellenstapel. Das mindestens eine Ausgleichselement ist zwischen einer Endplatte und einer Brennstoffzelle der Vielzahl Brennstoffzellen angeordnet und erstreckt sich mindestens über eine gesamte aktive Fläche, ggf. in eine passive Fläche der Brennstoffzelle. Das mindestens eine Ausgleichselement ist elastisch ausgebildet, um eine durch das Spannsystem auf die Endplatte eingebrachte Spannkraft homogen auf die aktive Fläche der Brennstoffzelle zu übertragen.
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Unter einem flexiblen Ausgleichselement ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Ausgleichselement, wie bspw. eine Silikonmatte zu verstehen, das mechanisch elastisch, also zumindest bereichsweise reversibel verformbar ist.
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Unter einer aktiven Fläche ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Fläche bzw. ein Bereich zu verstehen, in dem von einer Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt wird. Insbesondere ist in bzw. unter einer aktiven Fläche eine Elektroden-Membraneinheit einer Brennstoffzelle angeordnet. Eine aktive Fläche kann sich auf eine einzelne Brennstoffzelle oder eine Vielzahl aufeinander gestapelter Brennstoffzellen beziehen, deren jeweilige aktive Flächen sich entsprechend unter einer gemeinsamen aktiven Fläche überlagern.
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Der vorgestellte Brennstoffzellenstapel basiert auf der Verwendung eines Ausgleichselements oder mehrerer Ausgleichselemente, die eine Spannkraft, die von einem Spannsystem, wie bspw. einer Anzahl Spanngurte und/oder einer Anzahl Gewindestangen, zum Verspannen jeweiliger Komponenten des Brennstoffzellenstapels, wie bspw. einer Anzahl Endplatten und einer Anzahl Brennstoffzellen, bereitgestellt wird.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichselement ist dazu konfiguriert, einen unregelmäßigen Verlauf einer Spannkraft bzw. eine Spannkraft, die von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Spannsystem lediglich punktuell bzw. bereichsweise in die Endplatten eingebracht wird, auszugleichen. Dies bedeutet, dass ein Spannkraftverlauf an einem Übergang eines Ausgleichselements zu einer weiteren Komponente des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, wie bspw. einer Brennstoffzelle oder einer Stromabnehmerplatte, homogenisiert wird, und die Spannkraft an einer gesamten Oberfläche der weiteren Komponente im Wesentlichen gleich stark vorliegt.
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Zum Ausgleichen eines unregelmäßigen Spannkraftverlaufs ist das erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichselement elastisch bzw. bereichsweise reversibel verformbar ausgestaltet. Durch die elastische Ausgestaltung des Ausgleichselements ergibt sich zum einen, dass lokale Spannkraftspitzen durch eine Verformung des Ausgleichselements kompensiert bzw. minimiert werden, indem ein Teil der Spannkraftspitzen in mechanische Energie zum lokalen Verformen des Ausgleichselements umgewandelt wird. Zum anderen führt eine lokale bzw. bereichsweise Verformung des Ausgleichselements zu einer Verteilung einer lokal in das Ausgleichselement eingeleiteten Spannkraft innerhalb des Ausgleichselements. Sowohl durch die Umwandlung der Spannkraft in mechanische Energie als auch durch die Verteilung der Spannkraft innerhalb des Ausgleichselements wird ein Verlauf der Spannkraft an einem Übergang des Ausgleichselements zu einer weiteren Komponente des Brennstoffzellenstapels homogenisiert.
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Insbesondere bewirkt das erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichselement eine graduelle Verteilung einer in das Ausgleichselement eingebrachten Spannkraft innerhalb des Ausgleichselements, sodass lokale Spannkraftspitzen vermieden werden.
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Durch einen homogenen Krafteintrag bzw. einen im Wesentlichen konstanten Kraftverlauf an einem Übergang des Ausgleichselements zu einer weiteren Komponente des vorgestellten Brennstoffzellenstapels werden konstante Reaktionsbedingungen innerhalb jeweiliger reaktiver Flächen des Brennstoffzellenstapels geschaffen, sodass lokale Leistungsspitzen oder Leistungsminderungen und dadurch bedingte lokale Materialermüdungen minimiert werden. Entsprechend erhöht sich eine Standzeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels gegenüber einem Brennstoffzellenstapel ohne Ausgleichselement.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichselement kann bspw. als Kissen bzw. Matte ausgestaltet sein, das bzw. die sich flächig über eine aktive Fläche einer Brennstoffzelle erstreckt. Entsprechend deckt das Ausgleichselement die aktive Fläche der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels komplett ab. Dabei kann ein einzelnes Ausgleichselement vorgesehen sein oder eine Vielzahl Ausgleichselemente, die zusammen eine Fläche ergeben, die sich über die gesamte aktive Fläche erstreckt. Insbesondere kann ein jeweiliges Ausgleichselement pro Endplatte vorgesehen sein.
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Das Ausgleichselement kann bspw. in direktem Kontakt mit einer Endplatte und einer Brennstoffzelle stehen. Alternativ kann das Ausgleichselement in direktem Kontakt mit einer Endplatte und einer Stromabnehmerplatte stehen, sodass ein homogener Spannkrafteintrag zunächst in die Stromabnehmerplatte und durch die Stromabnehmerplatte ein homogener Spannkrafteintrag in eine jeweilige Brennstoffzelle erfolgt.
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Um eine besonders effektive Verspannung und entsprechend gute Abdichtung des vorgestellten Brennstoffzellenstapels zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleichselement lediglich im Bereich einer aktiven Fläche des Brennstoffzellenstapels bzw. jeweiliger aktiver Flächen der Brennstoffzellen elastisch ist. Entsprechend kann das Ausgleichselement in im Bereich passiver Flächen starr ausgestaltet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Ausgleichselement mindestens ein Justierelement zum Justieren des Ausgleichselements relativ zu dem Brennstoffzellenstapel umfasst.
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Mittels eines Justierelements, wie bspw. einer Öffnung zur Aufnahme einer Komponente eines Spannsystems, insbesondere einer Gewindestange, kann das Ausgleichselement exakt relativ zu jeweiligen Komponenten des vorgestellten Brennstoffzellenstapels ausgerichtet werden.
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Wenn ein Justierelement eines Ausgleichselements in direktem Kontakt mit einem Spannsystem steht, erfolgt in der Regel ein Eintrag einer entsprechenden Spannkraft von dem Spannsystem in das Ausgleichselement vorwiegend durch das Justierelement. Dabei kann das Justierelement derart gestaltet sein, dass die Spannkraft in das Ausgleichselement geleitet wird und sich homogen in dem Ausgleichselement verteilt. Dazu kann das Justierelement bspw. keilförmig bzw. flächig in das Ausgleichselement eingreifen und/oder das Ausgleichselement keilförmig bzw. flächig überlagern.
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Optional kann mittels eines Justierelements ein Abstand zwischen einem Ausgleichselement und einer nachfolgenden angeordneten Komponente eingestellt werden. Dazu kann das Justierelement bspw. über das Ausgleichselement hinausragend ausgestaltet sein, sodass ein Bewegungsraum bereitgestellt wird, innerhalb dessen das Ausgleichselement sich bewegen kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Ausgleichselement zumindest tlw. aus Silikon besteht und eine Höhe zwischen 0,5mm und 1,5mm, insbesondere von 1mm aufweist.
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Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass eine Kombination eines Silikonmaterials mit einer Materialstärke bzw. Höhe von im Wesentlichen 1mm als Ausgestaltung des Ausgleichselements besonders geeignet ist, um einen homogen Spannkraftverlauf entlang einer aktiven Fläche des vorgestellten Brennstoffzellenstapels zu erzeugen. Selbstverständlich können sich, je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellestapels andere Materialien und/oder Materialstärken als vorteilhaft erweisen.
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Insbesondere kann eine Materialstärke und/oder eine Materialart bzw. Materialpaarung des Ausgleichselements derart gewählt sein, dass die Brennstoffzellen des vorgestellten Brennstoffzellenstapels unverformt vorliegen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Ausgleichselement zumindest tlw. aus einem Polymer, insbesondere einem Elastomer, besteht.
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Mittels eines Polymers kann ein besonders effektives Verteilen einer Spannkraft innerhalb des Ausgleichselements erreicht werden, da jeweilige Makromoleküle des Polymers zu einer flächigen Verteilung einer in das Polymer eingeleiteten Spannkraft führen. Ein Polymer kann fest oder tlw. flüssig, insbesondere gelförmig sein.
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Insbesondere kann das Ausgleichselement aus einem netzförmig verteilten elastischen Material, wie bspw. einem Schwamm, aufgebaut sein. Dabei kann das netzförmig verteilte Material bereichsweise mit starren Komponenten aufgefüllt sein, um ein Elastizitätsmodul bzw. ein Kompressionsmodul, also eine Festigkeit des Ausgleichselements einzustellen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Ausgleichselement zumindest tlw. flüssig ist.
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Durch ein zumindest tlw. flüssiges Ausgleichselement, das bspw. aus einem Gel bestehen kann, kann eine besonders schnelle und homogene Verteilung der Spannkraft innerhalb des Ausgleichselements erreicht werden.
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Ferner kann das Ausgleichselement aus einer Kombination verschiedener Materialien bestehen. Insbesondere kann ein Ausgleichselement einen Sandwichaufbau mit einem besonders flexiblen Zwischenelement, das von zwei weniger flexiblen Randelementen umgeben ist, aufweisen. Eins solches Sandwichelement hat den Vorteil, dass ein besonders stark verformbares, insbesondere ein flüssiges bzw. zumindest teilweise flüssiges Zwischenelement verwendet werden kann. Dabei kann durch eine entsprechend geeignete Materialwahl der Randelemente, wie bspw. Kunststoff, eine elektrochemische Wechselwirkung zwischen weiteren Komponenten des Brennstoffzellenstapels, insbesondere einer Brennstoffzelle, und dem Zwischenelement verhindert werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Anordnungsschritt zum Anordnen mindestens eines elastischen Ausgleichselements zwischen einer Endplatte und einer Brennstoffzelle derart, dass das mindestens eine Ausgleichselement sich über eine gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle erstreckt. Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren einen Verspannungsschritt zum Verspannen der Endplatte, des mindestens einen Ausgleichselements und der Brennstoffzelle untereinander, mittels einer durch ein Spannsystem bereitgestellten Spannkraft, sodass die Spannkraft durch das mindestens eine Ausgleichselement homogen auf die aktive Fläche der Brennstoffzelle verteilt wird.
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Die einzelnen Schritte des vorgestellten Herstellungsverfahrens können insbesondere nacheinander durchgeführt werden, sodass sukzessive eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellenstapels entsteht. Alternativ kann ein Brennstoffzellenstapel vorgefertigt und durch Einsetzen des Ausgleichselements zu dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ergänzt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Höhe jeweiliger Ausgleichselemente in Abhängigkeit der Spannkraft derart gewählt wird, dass eine Verformung der Brennstoffzellen durch die Spannkraft verhindert wird.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 100 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine obere Endplatte 101 und eine untere Endplatte 103, eine obere Stützplatte 105 und eine untere Stützplatte 107, ein oberes Ausgleichselement 109 und ein unteres Ausgleichselement 111, eine obere Stromabnehmerplatte 113 und eine untere Stromabnehmerplatte 115 sowie eine Brennstoffzelle 117 mit einer Anode 119, einer Kathode 121 und einer Membran-Elektrodeneinheit 123. Die Membran-Elektrodeneinheit liegt in einer aktiven Fläche 125 des Brennstoffzellenstapels. Die Brennstoffzelle 117 ist in der Regel als Wiederholeinheit ausgestaltet und liegt in dem Brennstoffzellenstapel 100 in einer Vielzahl vor.
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Der Brennstoffzellenstapel 100 wird mittels eines Spannsystems 127, bestehend aus Gewindestangen 129, Spannelementen 131 und Schraubmuttern 133 verspannt.
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Beim Anziehen der Schraubmuttern 133 wirkt eine Spannkraft senkrecht und lokal durch Schraubmuttern 133, wie durch Pfeile 135 angedeutet. Entsprechend wird die Spannkraft punktuell auf die Stützplatten 105 und 107 sowie die Endplatten 101 und 103, die jeweils starr ausgestaltet sind, übertragen.
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Durch die punktuelle Übertragung und/oder durch ungleichmäßige Beaufschlagung der jeweiligen Schraubmutter 133 mit Drehmoment, werden die Ausgleichselemente 109 und 111 bereichsweise mit einer unterschiedlichen Spannkraft beaufschlagt. Um den unterschiedlichen Spannkrafteintrag nicht auf die Stromabnehmerplatten 113 und 115 sowie die Brennstoffzelle 117 und insbesondere die aktive Fläche 125 weiterzuleiten, sind die Ausgleichselemente 109 und 111 elastisch ausgestaltet. Entsprechend geben die Ausgleichselemente 109 und 111 je nach Spannkrafteintrag mehr oder weniger nach und übertragen weniger oder mehr Spannkraft auf die Stromabnehmerplatten 113 und 115.
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Durch das bereichsweise Nachgeben der Ausgleichselemente 109 und 111 werden Spannkraftspitzen reduziert und ein Verlauf der Spannkraft über eine Fläche der Ausgleichselemente 109 und 111 homogenisiert. Entsprechend werden die Stromabnehmerplatten 113 und 115 und insbesondere die aktive Fläche 125 gleichmäßig bzw. homogen durch die Ausgleichselemente 109 und 111 mit Spannkraft beaufschlagt.
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Aufgrund der homogenen Beaufschlagung der aktiven Fläche 125 werden lokale Leistungsunterschiede durch unterschiedlich starke Volumenströme an Reaktionsfluiden vermieden. Entsprechend wird innerhalb der aktiven Fläche 125 eine homogene Leistungserzeugung erreicht und die Membran-Elektrodeneinheit 123 gleichmäßig belastet.
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Optional können die Ausgleichselemente 109 und 111 auch dazu ausgestaltet sein, einen Spannkrafteintrag in eine passive Fläche 137 zu homogenisieren.
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Das Prinzip der Verwendung der Ausgleichselemente 109 bzw. 111 kann auch auf einen Elektrolyseur angewendet werden.
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In 2 ist ein Herstellungsverfahren 200 zum Herstellen des Brennstoffzellenstapels 100 gemäß 1 dargestellt.
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Das Herstellungsverfahren 200 umfasst einen Anordnungsschritt (201) zum Anordnen mindestens eines elastischen Ausgleichselements zwischen einer Endplatte und einer Brennstoffzelle derart, dass das mindestens eine Ausgleichselement sich über eine gesamte aktive Fläche der Brennstoffzelle erstreckt.
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Weiterhin umfasst das Herstellungsverfahren (200) einen Verspannungsschritt (203) zum Verspannen der Endplatte, des mindestens einen Ausgleichselements und der Brennstoffzelle untereinander, mittels einer durch ein Spannsystem bereitgestellten Spannkraft, sodass die Spannkraft durch das mindestens eine Ausgleichselement homogen auf die aktive Fläche der Brennstoffzelle verteilt wird.
