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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung, insbesondere eine Verspannvorrichtung, für einen Brennstoffzellenstapel.
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Ein Brennstoffzellenelement wandelt chemische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion vorzugsweise in elektrische Energie und umfasst typischerweise Elektroden, die durch einen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Aufgrund der niedrigen Betriebsspannung der einzelnen Brennstoffzellenelemente werden typischerweise mehrere Brennstoffzellenelemente in einer Haltevorrichtung zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt und in Reihe geschaltet, um eine Ausgangsspannung zu erhöhen.
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Alterungseffekte bei derartigen Brennstoffzellenstapeln können jedoch dazu führen, dass sich die Ausgangsspannung über die Zeit ändert.
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Beispielsweise kann sich ein Flächendruck, welcher durch die Haltevorrichtung in einer Stapelrichtung auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt wird, reduzieren. Diese Druckänderung kann zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften innerhalb des Brennstoffzellenstapels führen, was sich direkt auf die Ausgangsspannung auswirken kann. Im Ergebnis wird eine Zuverlässigkeit einer Brennstoffzellenvorrichtung reduziert und eine Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung verkürzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Haltevorrichtung, insbesondere eine Verspannvorrichtung, für einen Brennstoffzellstapel bereitzustellen, welche eine Lebensdauer einer Brennstoffzellenvorrichtung erhöhen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Haltevorrichtung, insbesondere eine Verspannvorrichtung, für einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung, insbesondere die erfindungsgemäße Verspannvorrichtung, für einen Brennstoffzellenstapel umfasst vorzugsweise Folgendes:
- - einen Aufnahmebereich für einen Brennstoffzellenstapel;
- - einen ersten Befestigungsmechanismus für den Brennstoffzellenstapel, welcher an einer ersten Seite des Aufnahmebereichs angeordnet ist; und
- - einen Druckkompensationsmechanismus, welcher an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Aufnahmebereichs angeordnet ist.
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Der Druckkompensationsmechanismus umfasst vorzugsweise Folgendes:
- - wenigstens ein Druckelement, welches relativ zu dem ersten Befestigungsmechanismus entlang einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels beweglich ist;
- - ein oder mehrere elastische Elemente, die eingerichtet sind, um auf das wenigstens eine Druckelement eine Kraft in eine erste Richtung hin zu dem ersten Befestigungsmechanismus auszuüben; und
- - einen Begrenzungsmechanismus, welcher eingerichtet ist, um einen Bewegungsbereich des wenigstens einen Druckelements in eine zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zu begrenzen.
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Eine Begrenzung des Bewegungsbereichs des Druckelements erfolgt vorzugsweise in einer von dem Brennstoffzellenstapel weg weisenden Richtung, beispielsweise durch mechanische Begrenzung eines Einfederwegs von Tellerfedern.
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Beispielsweise ist es möglich, durch ein Nachstellen des Begrenzungsmechanismus Alterungseffekte auszugleichen, um einen Flächendruck auf den Zellenstapel über die Lebensdauer einer Brennstoffzellenvorrichtung im Wesentlichen konstant zu halten und/oder die Bewegung des Brennstoffzellenstapels in mindestens eine Richtung einzuschränken.
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Im Ergebnis kann vorzugsweise eine Ausgangsleistung einer Brennstoffzellenvorrichtung konstant gehalten werden.
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Zudem kann bei Erschütterungen und/oder Stößen vorzugsweise verhindert werden, dass sich der Flächendruck aufgrund einer unkontrollierten Auslenkung des Druckelements zu stark ändert.
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Vorzugsweise umfasst der Druckkompensationsmechanismus einen zweiten Befestigungsmechanismus.
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Beispielsweise kann der erste Befestigungsmechanismus als erste Endplatte ausgebildet sein und einen unteren Abschluss der Haltevorrichtung in Bezug auf die Stapelrichtung bilden.
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Ergänzend oder alternativ kann der zweite Befestigungsmechanismus als zweite Endplatte ausgebildet sein und einen oberen Abschluss der Haltevorrichtung in Bezug auf die Stapelrichtung bilden.
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Vorzugsweise ist der Brennstoffzellenstapel zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus und dem zweiten Befestigungsmechanismus mittels mehrerer Spannelemente entlang einer Stapelrichtung verspannt. Die Spannelemente können beispielsweise Zuganker sein.
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Der erste Befestigungsmechanismus und der zweite Befestigungsmechanismus können in ihrer Position relativ zueinander im Wesentlichen fest sein.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Druckelement zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus und dem zweiten Befestigungsmechanismus angeordnet, insbesondere im Kraftfluss zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus und dem zweiten Befestigungsmechanismus.
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Das wenigstens eine Druckelement kann relativ zu dem ersten Befestigungsmechanismus und relativ zu dem zweiten Befestigungsmechanismus beweglich sein.
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Vorzugsweise sind das eine oder die mehreren elastischen Elemente zwischen dem wenigstens einen Druckelement und dem zweiten Befestigungsmechanismus angeordnet.
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Beispielsweise kann ein erstes Ende des einen oder der mehreren elastischen Elemente mit dem zweiten Befestigungsmechanismus verbunden sein.
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Ergänzend oder alternativ kann ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des einen oder der mehreren elastischen Elemente mit dem wenigstens einen Druckelement verbunden sein.
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Das wenigstens eine Druckelement kann eine Druckplatte sein.
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Vorzugsweise sind das eine oder die mehreren elastischen Elemente Tellerfederelemente.
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In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr Tellerfederelemente in Reihe geschaltet sein. Durch Anpassung einer Anzahl der Tellerfederelemente wird vorzugsweise ein Einstellen eines Federverhaltens/einer Federkennlinie ermöglicht.
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Beispielsweise können die zwei oder mehr Tellerfedern wechselsinnig aufeinandergeschichtet sein, um eine für die vorgesehene Verwendung geeignete Federkennlinie zu erreichen.
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Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen umfasst der Begrenzungsmechanismus einen festen Anschlag oder wird durch einen festen Anschlag gebildet.
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Der Begrenzungsmechanismus kann zum Beispiel als Vorsprung mit einer vorbestimmten Länge von dem zweiten Befestigungsmechanismus in Richtung des wenigstens einen Druckelements vorstehen.
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Der Begrenzungsmechanismus kann einstückig mit dem zweiten Befestigungsmechanismus ausgebildet sein.
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Alternativ kann der Begrenzungsmechanismus ein separates Element sein, welches mit dem zweiten Befestigungsmechanismus mechanisch verbunden, insbesondere verschraubt und/oder verschweißt, ist.
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In anderen Ausführungsformen umfasst der Begrenzungsmechanismus einen variablen Anschlag.
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Der variable Anschlag ist vorzugsweise eingerichtet, um den Bewegungsbereich des wenigstens einen Druckelements entlang der zweiten Richtung variabel zu begrenzen. Hierzu kann sich der variable Anschlag beispielsweise in die erste Richtung bewegen, um eine Bewegung des wenigstens einen Druckelements in die zweite Richtung zu verhindern.
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Der variable Anschlag kann somit ein nachstehender Mechanismus sein, welcher der Bewegung des wenigstens einen Druckelements entlang der ersten Richtung folgt und dann einen entsprechenden Anschlag definiert.
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Das Nachstellen des variablen Anschlags kann vorzugsweise derart erfolgen, dass das wenigstens eine Druckelement im Anschluss an eine Bewegung in die erste Richtung keine Rückbewegung in die zweite Richtung mehr durchführen kann.
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Das Fixieren des variablen Anschlags im Anschluss an eine Bewegung in die erste Richtung zum Verhindern einer Rückbewegung in die zweite Richtung kann in einigen Ausführungsformen mittels eines Haltemechanismus erfolgen.
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Beispielsweise kann der Haltemechanismus wenigstens eine Drehfeder umfassen, welche die Bewegung des variablen Anschlags in die erste Richtung erlaubt und/oder bewirkt und gleichzeitig die Bewegung des variablen Anschlags in die zweite Richtung behindert.
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Alternativ dazu ist es denkbar, dass der Haltemechanismus ein Hydraulikelement, beispielsweise einen Hydraulikzylinder, umfasst, welcher eine Bewegung des variablen Anschlags in die erste Richtung erlaubt und/oder bewirkt und gleichzeitig die Bewegung des variablen Anschlags in die zweite Richtung behindert.
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Vorzugsweise umfasst der Begrenzungsmechanismus ein Halteelement und wenigstens ein Anschlagelement, wobei das wenigstens eine Anschlagelement in eine Öffnung des Halteelements eingesetzt und in dieser entlang der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels beweglich ist.
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Hierdurch wird vorzugsweise eine Führung des wenigstens einen Anschlagelements ermöglicht.
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Vorzugsweise ist eine Innenwand der Öffnung als Gewinde ausgebildet. Zudem kann eine Außenwand des wenigstens einen Anschlagelements als Gewinde ausgebildet sein, welches mit dem Gewinde der Öffnung in Eingriff steht. Das Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements entlang der ersten Richtung kann vorzugsweise durch ein Drehen des wenigstens einen Anschlagelements erfolgen.
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Das Eindrehen und/oder Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements kann in einigen Ausführungsformen manuell durch eine Person erfolgen. Zum Beispiel kann ein Schraubenzieher oder ein Schraubenschlüssel verwendet werden, um das wenigstens eine Anschlagelement weiter in die Öffnung des Halteelements einzuschrauben.
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In weiteren Ausführungsformen kann das Eindrehen und/oder Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements automatisch erfolgen. Hierzu kann wenigstens eine Drehfeder vorgesehen sein, welche eingerichtet ist, um das wenigstens eine Anschlagelement entlang der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels zu bewegen beziehungsweise nachzustellen.
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Insbesondere kann die wenigstens eine Drehfeder die Bewegung des wenigstens einen Anschlagelements in die erste Richtung bewirken, so dass der Anschlag nachgestellt wird.
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Beispielsweise kann die Innenwand der Öffnung als Gewinde ausgebildet sein.
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Die Drehfeder kann beispielsweise mit dem Innengewinde der Öffnung in Eingriff stehen.
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Zudem kann die Drehfeder fest, beispielsweise durch einen Kraftschluss, mit dem wenigstens einen Anschlagelement verbunden sein, so dass sich das wenigstens eine Anschlagelement in die erste Richtung bewegt, wenn sich die Drehfeder in dem Innengewinde der Öffnung dreht.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Drehfeder eine vorgespannte Drehfeder.
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Die Vorspannung bewirkt vorzugsweise ein Drehmoment, durch welches die automatische Drehung der Drehfeder in dem Innengewinde der Öffnung bewirkt werden kann.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Anschlagelement in einem Inneren der wenigstens einen Drehfeder angeordnet.
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Beispielsweise kann das wenigstens eine Anschlagelement als Bolzen ausgebildet und von der wenigstens einen Drehfeder derart umgeben sein, dass ein Kraftschluss zwischen dem wenigstens einen Anschlagelement und der wenigstens einen Drehfeder gebildet ist.
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Vorzugsweise weist das wenigstens eine Anschlagelement ein Kontaktende auf, welches mit dem wenigstens einen Druckelement in stetigem Kontakt ist.
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Das wenigstens eine Anschlagelement kann zusammen mit dem wenigstens einen Druckelement in die erste Richtung hin zu dem ersten Befestigungsmechanismus bewegbar sein und eine Rückbewegung in die zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung behindern.
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Das wenigstens eine Anschlagelement umfasst an seinem Kontaktende beispielsweise ein elastisches Element. Das elastische Element kann das wenigstens eine Druckelement kontaktieren, so dass durch Reibung ein zuverlässiger Kontakt zwischen dem wenigstens einen Anschlagelement und dem wenigstens einen Druckelement sichergestellt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst das elastische Element ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein Gummimaterial, oder ist aus diesem gebildet.
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Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Haltevorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel umfasst.
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Vorzugsweise sind die Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenstapels Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenelemente.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in einem Fahrzeug.
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Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ferner ein Fahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.
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Der Begriff „Fahrzeug“ umfasst im Rahmen dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche vorzugsweise Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Busse, Wohnmobile, Krafträder, Schiffe und Flugzeuge, welche der Beförderung von Personen und/oder Gütern dienen. Insbesondere umfasst der Begriff „Fahrzeug“ Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kompensieren einer Längenänderung eines Brennstoffzellenstapels mittels einer Haltevorrichtung, beispielsweise mittels einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung.
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Das Verfahren zum Kompensieren einer Längenänderung eines Brennstoffzellenstapels umfasst vorzugsweise Folgendes:
- Begrenzen des Bewegungsbereichs des wenigstens einen Druckelements in die zweite Richtung durch einen mechanischen Kontakt zwischen dem wenigstens einen Druckelement und dem Begrenzungsmechanismus, insbesondere durch einen mechanischen Kontakt zwischen dem wenigstens einen Druckelement und einem Anschlagelement des Begrenzungsmechanismus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kompensieren einer Längenänderung eines Brennstoffzellenstapels weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Haltevorrichtung, insbesondere einer Verspannvorrichtung, für einen Brennstoffzellenstapel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Begrenzung eines Einfederwegs durch einen festen Anschlag;
- 3 eine schematische Darstellung einer Federkennlinie mit einer Begrenzung eines Einfederwegs durch einen festen Anschlag;
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Haltevorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Begrenzung eines Einfederwegs durch einen variablen Anschlag;
- 6 eine Montage eines Begrenzungsmechanismus der Ausführungsform einer Haltevorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel aus 4; und
- 7 eine Wirkung einer Zusatzkraft auf eine Brennstoffzellenvorrichtung.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtliche Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 für einen Brennstoffzellenstapel 102.
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Die Haltevorrichtung 100 ist insbesondere eine Verspannvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel 102.
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Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst vorzugsweise mehrere entlang einer Stapelrichtung 104 angeordnete Brennstoffzellenelemente 106.
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Die Brennstoffzellenelemente 106 sind insbesondere plattenförmige Einheiten, welche verschiedene Komponenten zur elektrochemischen Umsetzung von Brennstoff, zur Stromführung und zur Fluidführung aufweisen.
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Günstig kann es sein, wenn die Brennstoffzellenelemente 106 des Brennstoffzellenstapels 102 entlang der Stapelrichtung 104 verspannt sind.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sämtliche Brennstoffzellenelemente 106 des Brennstoffzellenstapels 102 in der Stapelrichtung 104 zwischen einem ersten Befestigungsmechanismus 108 und einem zweiten Befestigungsmechanismus 110 verspannt sind.
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Die Haltevorrichtung 100 umfasst vorzugsweise mehrere Spannelemente 112, welche in 1 lediglich schematisch dargestellt sind, mittels welcher die Brennstoffzellenelemente 106 des Brennstoffzellenstapels 102 entlang der Stapelrichtung 104 verspannt sind.
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Die Spannelemente 112 sind beispielsweise sogenannte „Zuganker“.
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Der erste Befestigungsmechanismus 108 kann als erste Endplatte ausgebildet sein und einen unteren Abschluss der Haltevorrichtung 100 in Bezug auf die Stapelrichtung 104 bilden.
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Ergänzend oder alternativ kann der zweite Befestigungsmechanismus 110 als zweite Endplatte ausgebildet sein und einen oberen Abschluss der Haltevorrichtung 100 in Bezug auf die Stapelrichtung 104 bilden.
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Das Befestigen des Brennstoffzellenstapels 102 in der Haltevorrichtung 100 erfolgt vorzugsweise derart, dass ein Flächendruck auf die gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstapels 102 in der Stapelrichtung 104 ausgeübt wird.
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Aufgrund einer Elastizität der Brennstoffzellenelemente 106, beispielsweise von Gasdiffusionsschichten und/oder Dichtungen, des Brennstoffzellenstapels 102 wird insbesondere eine entgegengesetzte Kraft erzeugt, so dass ein Gleichgewicht statischer Kräfte aufrechterhalten wird.
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Der Flächendruck hat vorzugsweise einen großen Einfluss auf die Gesamtleistung, insbesondere eine Ausgangsspannung, des Brennstoffzellenstapels 102.
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Günstig kann es daher sein, dass der Flächendruck über die Zeit im Wesentlichen konstant gehalten wird, um eine gute Leistung zu erzielen und eine Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 102 zu maximieren.
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Um Änderungen im Flächendruck entgegenzuwirken, kann die Haltevorrichtung 100 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorzugsweise einen Druckkompensationsmechanismus 114 umfassen, der im Folgenden erläutert wird.
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Die Haltevorrichtung 100 kann einen Aufnahmebereich 116 umfassen, in welchen der Brennstoffzellenstapel 102 vorzugsweise eingesetzt ist.
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Der Aufnahmebereich 116 ist an einer ersten Seite insbesondere durch den ersten Befestigungsmechanismus 108, beispielsweise durch die erste Endplatte, begrenzt.
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Der Aufnahmebereich 116 ist an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite insbesondere durch den Druckkompensationsmechanismus 114 begrenzt.
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Die erste Seite des Aufnahmebereichs 116 und die zweite Seite des Aufnahmebereichs 116 liegen sich dabei entlang der Stapelrichtung 104 gegenüber.
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Der erste Befestigungsmechanismus 108 kontaktiert den Brennstoffzellenstapel 102 vorzugsweise an einem ersten Ende, wobei der Druckkompensationsmechanismus 114 den Brennstoffzellenstapel 102 an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende mechanisch kontaktiert.
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Der Druckkompensationsmechanismus 114 umfasst vorzugsweise wenigstens ein Druckelement 118.
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Das wenigstens eine Druckelement 118 kann den Brennstoffzellenstapel 102 vorzugsweise an dessen zweiten Ende kontaktieren.
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Das wenigstens eine Druckelement 118 kann vorzugsweise relativ zu dem ersten Befestigungsmechanismus 108 beziehungsweise relativ zu der ersten Endplatte entlang der Stapelrichtung 104 des Brennstoffzellenstapels 102 beweglich sein.
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Dadurch kann der Brennstoffzellenstapel 102 vorzugsweise zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus 108 und dem beweglichen Druckelement 118 eingespannt werden.
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Das wenigstens eine Druckelement 118 kann auch als „Druckplatte“ bezeichnet werden.
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Um Änderungen im Flächendruck entgegenzuwirken, kann der Druckkompensationsmechanismus 114 ein oder mehrere elastische Elemente 120 aufweisen, die eingerichtet sind, um auf das wenigstens eine Druckelement 118 eine Kraft in eine erste Richtung 1 hin zu dem ersten Befestigungsmechanismus 108 auszuüben.
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Dadurch wird vorzugsweise ein im Wesentlichen gleichbleibender Flächendruck auf den Brennstoffzellenstapel 102 erzeugt, auch wenn Alterungseffekte der Brennstoffzellenelemente 106 auftreten.
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Die Auswirkung von Alterungseffekten ist in 1 beispielhaft dargestellt. Insbesondere ist in 1(a) eine Haltevorrichtung 100 mit einem neuen Brennstoffzellenstapel 102 dargestellt, wobei in 1(b) ein gealterter Brennstoffzellenstapel 102 dargestellt ist.
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Ein Alterungseffekt kann sich beispielsweise auf eine Elastizität der Dichtungen des Brennstoffzellenstapel 102 auswirken.
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Diese Änderung würde auch zu einer Änderung des Flächendrucks innerhalb des Brennstoffzellenstapel 102 führen.
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Um eine solche Änderung des Flächendrucks zu kompensieren, übt das wenigstens eine elastische Element 120 vorzugsweise eine Kraft aus, so dass die Länge des Brennstoffzellenstapels 102 vorzugsweise reduziert wird, um eine Verringerung des Flächendrucks zu verhindern.
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Die Länge des Brennstoffzellenstapels 102 nimmt dabei über die Zeit ab, wobei der in 1(a) dargestellte Brennstoffzellenstapel 102 eine (ursprüngliche) Länge L1 aufweist, und wobei der in 1(b) dargestellte Brennstoffzellenstapel 102 eine (spätere) Länge L2 aufweist.
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Die Länge des Brennstoffzellenstapels 102 kann dabei entlang der Stapelrichtung 104 definiert sein.
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Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind das eine oder die mehreren elastischen Elemente 120 Tellerfedern.
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Eine Tellerfeder weist vorzugsweise die Form des Mantels eines flachen Kegelstumpfs auf.
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Eine jeweilige Tellerfeder kann zwischen ihren Randkreisen elastisch zusammengedrückt werden, bis sie maximal zu einer ebenen Scheibe verformt ist.
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Vorzugsweise umfasst der Druckkompensationsmechanismus 114 den zweiten Befestigungsmechanismus 110.
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Der erste Befestigungsmechanismus 108 und der zweite Befestigungsmechanismus 110 können in ihrer Position relativ zueinander im Wesentlichen fest sein. Anders gesagt kann der Abstand zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus 108 und dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 entlang der Stapelrichtung 104 über die Zeit im Wesentlichen konstant beziehungsweise unverändert bleiben.
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Das wenigstens eine Druckelement 118 kann zwischen dem ersten Befestigungsmechanismus 108 und dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 angeordnet sein.
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Das wenigstens eine Druckelement 118 kann dabei sowohl relativ zu dem ersten Befestigungsmechanismus 108 als auch relativ zu dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 entlang der Stapelrichtung 104 beweglich sein.
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Vorzugsweise sind das eine oder die mehreren elastischen Elemente 120 zwischen dem zweiten Befestigungsmechanismus 110, insbesondere der zweiten Endplatte, und dem wenigstens einen Druckelement 118, insbesondere der Druckplatte, angeordnet.
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Insbesondere kann ein erstes Ende des einen oder der mehreren elastischen Elemente 120 mit dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 verbunden sein.
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Ergänzend oder alternativ kann ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des einen oder der mehreren elastischen Elemente 120 mit dem wenigstens einen Druckelement 118 verbunden sein.
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Günstig kann es sein, wenn der Druckkompensationsmechanismus 114 einen Begrenzungsmechanismus 122 umfasst, der eingerichtet ist, um einen Bewegungsbereich des wenigstens einen Druckelements 118 in eine zu der ersten Richtung 1 entgegengesetzte zweite Richtung 2 zu begrenzen.
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Die zweite Richtung 2 kann dabei eine entlang der Stapelrichtung 104 von dem ersten Befestigungsmechanismus 108 wegzeigende Richtung sein.
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Dadurch ist es beispielsweise bei Erschütterungen des Brennstoffzellenstapels 102 möglich, zu verhindern, dass sich der auf den Brennstoffzellenstapel 102 wirkende Flächendruck aufgrund einer Auslenkung des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 (in 1 nach oben) zu stark ändert.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Begrenzungsmechanismus 122 einen festen Anschlag 124.
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Insbesondere kann der feste Anschlag 124 die Bewegung des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 stoppen, indem der feste Anschlag 124 die Bewegung des wenigstens einen Druckelements 118 durch einen mechanischen Kontakt mit dem wenigstens einen Druckelement 118 blockiert.
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Der feste Anschlag 124 kann beispielsweise als Vorsprung mit einer vorbestimmten Länge an dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 angeordnet sein.
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Insbesondere kann der feste Anschlag 124 mit der vorbestimmten Länge von dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 in Richtung des wenigstens einen Druckelements 118 vorstehen.
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Die vorbestimmte Länge des festen Anschlags 124 kann dabei fest sein, das heißt unveränderlich.
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Anders gesagt kann der feste Anschlag 124 ein Anschlag mit fester beziehungsweise unveränderlicher Begrenzung des Bewegungsbereichs des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 sein.
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Die Länge des festen Anschlags 124 kann dabei entlang der Stapelrichtung 104 definiert sein.
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Durch die vorbestimmte Länge des festen Anschlags 124 kann ein minimaler möglicher Abstand zwischen dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 und dem wenigstens einen Druckelement 118 entlang der Stapelrichtung 104 gesetzt oder vorgegeben werden.
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Anders gesagt kann der feste Anschlag 124 vorzugsweise als Abstandshalter zwischen dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 und dem wenigstens einen Druckelement 118 dienen.
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Der Begrenzungsmechanismus 122 kann einstückig mit dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 ausgebildet sein.
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Alternativ kann der Begrenzungsmechanismus 122 ein separates Element sein, das mit dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 mechanisch verbunden ist.
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Beispielsweise kann der Begrenzungsmechanismus 122 mit dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 verschraubt und/oder verschweißt sein.
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Vorzugsweise sind das eine oder die mehreren elastischen Elemente 120 Tellerfederelemente 126.
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Der Begrenzungsmechanismus 122 kann in einigen Ausführungsformen in einem Mittelbereich der Tellerfederelemente 126 angeordnet sein, so dass die Tellerfederelemente 126 den Begrenzungsmechanismus 122 umgeben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Begrenzung eines Einfederwegs durch den festen Anschlag 124. 2(a) zeigt, dass der feste Anschlag 124 in Kontakt mit dem Druckelement 118 ist. 2(b) zeigt die Tellerfederelemente ausgefedert, wobei der feste Anschlag 124 von dem Druckelement 118 einen Abstand 128 aufweist.
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Wie dargestellt erfolgt eine mechanische Begrenzung des Einfederwegs durch den festen Anschlag 124.
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Für eine weitere Erläuterung der mechanischen Begrenzung des Einfederwegs sind in 3 beispielhafte Federkennlinien dargestellt.
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Die Abszisse gibt einen Federweg s an, wobei die Ordinate eine Federkraft F angibt.
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Die durchgezogene Linie 130 zeigt eine Situation ohne den festen Anschlag 124, wobei die gestrichelte Linie 132 eine Situation mit dem festen Anschlag 124 zeigt.
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Ausgehend vom ausgefederten Zustand an dem Punkt A (F=0, s=0) erfolgt eine Komprimierung der Tellerfederelemente 126.
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Ohne festen Anschlag (durchgezogenen Linie 130) erfolgt die Komprimierung der Tellerfederelemente 126 so lange, bis die Tellerfederelemente 126 am Punkt B vollständig komprimiert sind.
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Dies ist in 2 beispielhaft durch die ebenen Scheiben dargestellt. Der Anteil der Federkennlinie, der über den Punkt B hinausgeht, gibt dabei lediglich einen E-Modul des Materials der Tellerfederelemente 126 an.
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Mit festem Anschlag 124 (gestrichelte Linie 132) erfolgt die Komprimierung der Tellerfederelemente 126 vorzugsweise so lange, bis der Anschlag 124 an dem Druckelement 118 anstößt (Punkt C). Der Anteil der Federkennlinie, der über den Punkt C hinausgeht, gibt dabei lediglich einen E-Modul des Materials des festen Anschlags 124 an.
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Damit erfolgt vorzugsweise eine Modifikation der Federkennline durch den Begrenzungsmechanismus 122 beziehungsweise durch eine mechanische Begrenzung.
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Da der Anschlag in diesem Beispiel ein fester Anschlag 124 ist, ist auch die Begrenzung beziehungsweise Modifikation der Federkennlinie fest.
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Durch die mechanische Begrenzung des Einfederwegs ist es bei Erschütterungen des Brennstoffzellenstapels 102 vorzugsweise möglich, zu verhindern, dass sich der auf den Brennstoffzellenstapel 102 wirkende Flächendruck aufgrund einer Auslenkung des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung (in 2 nach oben) zu stark ändert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 für einen Brennstoffzellenstapel 102.
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Eine in 4 dargestellte Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 im Wesentlichen dadurch, dass der Begrenzungsmechanismus 122 vorzugsweise als variabler Anschlag 134 ausgebildet ist.
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In 4(a) ist insbesondere ein neuer Brennstoffzellenstapel 102 dargestellt, wobei in 4(b) ein gealterter Brennstoffzellenstapel 102 dargestellt ist.
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Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 ist der Begrenzungsmechanismus 122 vorzugsweise als variabler Anschlag 134 ausgebildet und eingerichtet, um den Bewegungsbereich des wenigstens einen Druckelements 118 entlang der zweiten Richtung 2 variabel zu begrenzen.
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Der variable Anschlag 134 kann dabei ein nachstehender Mechanismus sein, welcher einer Bewegung des wenigstens einen Druckelements 118 entlang der ersten Richtung 1 folgt und dann einen entsprechenden Anschlag definiert.
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Das Nachstellen des variablen Anschlags 134 kann vorzugsweise derart erfolgen, dass das wenigstens eine Druckelement 118 im Anschluss an eine Bewegung in die erste Richtung 1 keine Rückbewegung in die zweite Richtung 2 mehr durchführen kann.
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Zum Nachstellen des variablen Anschlags 134 in die erste Richtung 1 kann in einigen Ausführungsformen ein Haltemechanismus 136 vorgesehen sein.
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Insbesondere kann der Haltemechanismus 136 eine Bewegung des variablen Anschlags 134 in die erste Richtung 1 erlauben und eine Bewegung des variablen Anschlags in die zweite Richtung 2 behindern.
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Hierzu kann der Haltemechanismus 136 zum Beispiel einen zeichnerisch nicht dargestellten Rastmechanismus umfassen, welcher durch Einrasten eine Bewegung des variablen Anschlags 134 in die erste Richtung 1 erlaubt und eine Bewegung des variablen Anschlags 134 in die zweite Richtung 2 verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Haltemechanismus 136 wenigstens eine zeichnerisch nicht dargestellte Drehfeder umfassen, welche die Bewegung des variablen Anschlags 134 in die erste Richtung 1 erlaubt und die Bewegung des variablen Anschlags 134 in die zweite Richtung 2 behindert. Eine derartige beispielhafte Konfiguration ist im Folgenden erläutert.
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Der Begrenzungsmechanismus 122 der Haltevorrichtung 100 kann ein Halteelement mit einer Öffnung 138 und wenigstens ein Anschlagelement 140 aufweisen.
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Das wenigstens eine Anschlagelement 140 kann in die Öffnung 138 des Halteelements eingesetzt und in dieser entlang der Stapelrichtung 104 des Brennstoffzellenstapels 102 beweglich sein.
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Vorzugsweise ist die Öffnung 138 ein Durchgangsloch, durch welches das wenigstens eine Anschlagelement 140 hindurchragt und darin beweglich ist.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Anschlagelement 140 ein Bolzen, insbesondere ein im Wesentlichen zylindrischer Bolzen.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten festen Anschlag 124 kann der variable Anschlag 134 mit einer variablen Länge von dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 in Richtung des wenigstens einen Druckelements 118 vorstehen.
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Anders gesagt kann die Länge des variablen Anschlags 134 veränderlich sein, um die veränderliche Begrenzung des Bewegungsbereichs des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 bereitzustellen.
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Das Halteelement kann vorzugsweise durch den zweiten Befestigungsmechanismus 110 gebildet oder mit dem zweiten Befestigungsmechanismus 110 verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verschraubt, sein.
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In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das wenigstens eine Anschlagelement 140 ein Ende aufweisen, das mit dem wenigstens einen Druckelement 118 in stetigem Kontakt ist. Dieses Ende kann als „Kontaktende“ bezeichnet werden.
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Beispielsweise umfasst das wenigstens eine Anschlagelement 140 an dem Kontaktende ein elastisches Element.
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Das elastische Element kann das wenigstens eine Druckelement 118 kontaktieren, so dass durch Reibung ein zuverlässiger Kontakt zwischen dem wenigstens einen Anschlagelement 140 und dem wenigstens einen Druckelement 118 sichergestellt werden kann.
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Das Anschlagelement 140 kann sich zusammen mit dem wenigstens einen Druckelement 118 in die erste Richtung 1 hin zu dem ersten Befestigungsmechanismus 108 bewegen und eine Rückbewegung des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 verhindern. Damit kann in einigen Ausführungsformen vorzugsweise ein automatisch nachstellender Anschlag bereitgestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen ist eine Innenwand der Öffnung 138 als Gewinde ausgebildet. Zudem kann eine Außenwand des Anschlagelements 140 als Gewinde ausgebildet sein, das mit dem Gewinde der Öffnung 138 in Eingriff steht.
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In diesem Fall kann das Anschlagelement 140 als Schraube ausgebildet sein.
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Das Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements 140 kann durch ein Drehen des wenigstens einen Anschlagelements 140, dessen Außengewinde in Eingriff mit dem Innengewinde der Öffnung 138 ist, erfolgen.
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Das Eindrehen und/oder Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements 140 kann in einigen Ausführungsformen manuell durch eine Person erfolgen (manuell nachstehender Anschlag). Zum Beispiel kann ein Schraubenzieher oder ein Schraubenschlüssel verwendet werden, um das wenigstens eine Anschlagelement 140 weiter in die Öffnung 138, das heißt in die erste Richtung 1, einzuschrauben, so dass ein Druck auf den Brennstoffzellenstapel 102 eingestellt werden kann.
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In weiteren Ausführungsformen kann das Eindrehen und/oder Nachstellen des wenigstens einen Anschlagelements 140 automatisch erfolgen (automatisch nachstehender Anschlag).
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Hierzu kann vorzugsweise wenigstens eine zeichnerisch nicht dargestellte Drehfeder vorgesehen sein, die eingerichtet ist, um das wenigstens eine Anschlagelement 140 entlang der Stapelrichtung 104 des Brennstoffzellenstapels 102 nachzustellen.
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Insbesondere kann die wenigstens eine Drehfeder eine vorgespannte Drehfeder sein, welche das wenigstens eine Anschlagelement 140 entlang der Stapelrichtung 104 des Brennstoffzellenstapels 102 in die erste Richtung 1 nachstellt.
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In diesem Fall kann die Innenwand der Öffnung 138 als Gewinde ausgebildet sein. Die (vorgespannte) Drehfeder kann mit dem Innengewinde der Öffnung 138 in Eingriff stehen. Zudem kann die (vorgespannte) Drehfeder fest mit dem Anschlagelement 140 verbunden sein, so dass sich das Anschlagelement 140 in die erste Richtung 1 bewegt, wenn sich die vorgespannte Drehfeder aufgrund ihrer Vorspannung in dem Innengewinde der Öffnung 138 dreht.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Anschlagelement 140 in einem Inneren der Drehfeder angeordnet.
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Beispielsweise kann das wenigstens eine Anschlagelement 140 als Bolzen ausgebildet und von der Drehfeder derart umgeben sein, dass ein Kraftschluss zwischen dem wenigstens einen Anschlagelement 140 und der Drehfeder gebildet ist.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten Ausführungsform einer Haltevorrichtung 100 überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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5 zeigt eine Begrenzung eines Einfederwegs durch den variablen Anschlag 134 bei einer Entlastung der Tellerfederelemente 126, das heißt bei einem Ausfedern, in eine Entlastungsrichtung 142.
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Die in 5 dargestellte Anordnung stimmt hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 4 dargestellten Anordnung überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Im Detail zeigt 5(a) eine Blocklage des Anschlagelements 140 (Punkt D1 in der Kennlinie), bei welcher die Tellerfederelemente 126 elastisch so zusammengedrückt sind, dass sie zu einer ebenen Scheibe verformt sind.
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In Entlastungsrichtung 142, also bei zunehmender Ausfederung der Tellerfederelemente 126, stellt die vorgespannte Drehfeder das wenigstens eine Anschlagelement 140 mittels eines Drehmoments M automatisch nach, so dass eine Rückbewegung des wenigstens einen Druckelements 118 in die zweite Richtung 2 verhindert wird.
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Dies ist beispielhaft in den 5(b) und 5(c) dargestellt, wobei die durch den variablen Anschlag 134 bewirkte variable Begrenzung der Kennlinie der Tellerfederelemente 126 insbesondere durch den Punkt D2 verdeutlicht ist.
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In 5(c) sind die Tellerfederelemente 120 maximal ausgefedert, was durch den Punkt D3 verdeutlicht ist.
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In Belastungsrichtung (entgegengesetzt zu der Entlastungsrichtung 142) wirkt das wenigstens eine Anschlagelement 140 parallel zu den Tellerfederelementen 126. Hier kann ein E-Modul des Materials des Anschlagelements 140 wesentlich größer als die Federkonstante der Tellerfederelemente 126 sein. Bei gleicher Kraftänderung entsteht somit ein geringerer resultierender Einfederweg.
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In Belastungsrichtung ist somit der E-Modul des Anschlagelements 140 für das Kraft-Weg-Verhalten entscheidend, so dass die Kennlinie der Tellerfederelemente 126 in der Belastungsrichtung von der Kennlinie der Tellerfederelemente 126 in der Entlastungsrichtung 142 abweicht.
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6 zeigt eine Montage eines Begrenzungsmechanismus 122 mit einem variablen Anschlag 134, wobei der Brennstoffzellenstapel 102 in 6(a) nicht verspannt ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 102 ist dabei vorzugsweise neu und weist keine Alterungseffekte auf.
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In 6(b) werden die elastischen Elemente 120, insbesondere die Tellerfederelemente 126 vorzugsweise auf Block aneinander angelegt, wobei anschließend ein Anschlagelement 140 in der Öffnung 138 angeordnet wird und zur erstmaligen Einstellung desselben an das Druckelement 118 angelegt wird (vergl. 6(c)).
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6(d) zeigt den Brennstoffzellenstapel 102, welcher aufgrund von Alterungseffekten in der Stapelrichtung 104 eine geringere Länge als in 6(c) aufweist.
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Aufgrund der geringeren Länge des Brennstoffzellenstapels 102 wird der auf den Brennstoffzellenstapel 102 wirkende Flächendruck des Brennstoffzellenstapels 102 vorzugsweise mittels der Tellerfederelemente 120 ausgeglichen.
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Eine Länge des Brennstoffzellenstapels 102 kann dabei insbesondere aufgrund eines Setzverhaltens, aufgrund eines Kriechverhaltens und/oder aufgrund von Lebensdauereinflüssen kleiner werden.
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Die Tellerfederelemente 126 federn dementsprechend aus und das Anschlagelement 140 dreht sich aufgrund der vorgespannten Drehfeder, so dass das Anschlagelement 140 auf die neue Position nachgestellt wird.
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7 zeigt eine Wirkung einer Zusatzkraft Fz auf eine Brennstoffzellenvorrichtung.
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7(a) zeigt dabei die Wirkung der Zusatzkraft Fz ohne den Begrenzungsmechanismus 122, wobei 7(b) die Wirkung der Zusatzkraft Fz mit dem Begrenzungsmechanismus 122 zeigt.
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Die Zusatzkraft Fz ist eine auf den Brennstoffzellenstapel 102 wirkende Kraft.
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Die Zusatzkraft Fz kann beispielsweise aus einem Innendruck des Brennstoffzellenstapels 102 oder aus einer Beschleunigung, beispielsweise aufgrund eines auf den Brennstoffzellenstapel 102 wirkenden Stoßes, resultieren.
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Eine aus der Zusatzkraft Fz resultierende Wegänderung ohne den Begrenzungsmechanismus 122 ist in 7(a) mit „ds1“ bezeichnet.
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Eine aus der Zusatzkraft Fz resultierende Wegänderung, welche durch den Begrenzungsmechanismus 122 begrenzt ist, ist in 7(b) mit „ds2“ bezeichnet.
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Der Unterschied zwischen der Wegänderung ds1 ohne den Begrenzungsmechanismus 122 und der Wegänderung ds2 mit Begrenzungsmechanismus 122 ist mit „ds“ bezeichnet.
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Durch das Anschlagelement 140 und die Drehfeder kann eine Begrenzung des Einfederwegs bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise kann eine Haltevorrichtung 100 für einen Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellt werden, welche eine Lebensdauer einer Brennstoffzellenvorrichtung erhöhen kann.
