DE10392585B4

DE10392585B4 - Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel sowie Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE10392585B4
Application number: DE10392585.6T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: CN1650460A; CN100362685C; JP2008277303A; DE10392584T5; JP2005522857A; CN1328810C; DE10392581B4; JP2006501601A; DE10392581T5; DE10392584B4; JP2005524214A; AU2003226325A1; CN1650446A; AU2003230898A1; AU2003223519A1; DE10392585T5; CN1650454A; CN100499205C

Abstract

Ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel der Erfindung enthält mehrere Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau besitzt ein gegenüberliegendes erstes Ende und zweites Ende sowie eine Länge dazwischen. An dem ersten Ende und an dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste Endplatte bzw. eine zweite Endplatte angeordnet. Der Stapel besitzt wenigstens eine Seitenplatte mit einem gegenüberliegenden ersten Ende und zweiten Ende, die an der jeweiligen ersten Endplatte und zweiten Endplatte angebracht sind. Die Seitenplatte hält die erste Endplatte und die zweite Endplatte in einer beabstandeten Beziehung, so dass sie auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine Druckkraft ausüben. Außerdem umschließt die Seitenplatte den Brennstoffzellenzusammenbau zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte und schafft ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf einen elektrochemischen Brennstoffzellenstapel sowie ein Herstellungsverfahren dafür gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 7, 9 und 12, wie im Wesentlichen aus der Druckschrift DE 28 31 799 A1 bekannt.
Brennstoffzellenstapel umfassen typisch mehrere Brennstoffzellen, die übereinander gestapelt sind und gegeneinander gedrückt werden. Die mehreren gestapelten Brennstoffzellen bilden einen Brennstoffzellenzusammenbau, der mit Druck beaufschlagt ist, um die mehreren Brennstoffzellen in einer Druckbeziehung zu halten. Jede Brennstoffzelle umfasst typisch eine Anodenschicht, eine Katodenschicht und einen Elektrolyten, der zwischen der Anodenschicht und der Katodenschicht liegt. Der Brennstoffzellenzusammenbau erfordert eine erhebliche Druckkraft, um die Brennstoffzellen des Stapels zusammenzudrücken. Die Notwendigkeit der Druckkraft ergibt sich aus dem Gas-Innendruck der Reaktanden in den Brennstoffzellen sowie aus der Notwendigkeit, einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Innenkomponenten der Zellen aufrechtzuerhalten. Allgemein beträgt die Kraft pro Flächeneinheit insgesamt etwa 1,34 MPa-1,41 MPa (195 - 205 psi), die gleichmäßig über den gesamten aktiven Bereich der Zelle (typisch 497-1000 cm² (77 -155 Quadratzoll) für Kraftfahrzeugstapel) verteilt sind. Somit beträgt die typische Gesamtdruckkraft von Stapeln dieser Größe bei einer Brennstoffzelle mit einer Fläche von etwa 516 cm² (80 Quadratzoll) etwa 68,947 kN bis 73,396 kN (15500 - 16500 Pfund).
Herkömmliche Brennstoffzellenstapelkonstruktionen konzentrieren sich auf die Verwendung starrer Endplatten und Spannstangen, die eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausüben und aufrechterhalten. Die mehreren Brennstoffzellen oder der Brennstoffzellenzusammenbau, die zusammenzudrücken sind, liegen zwischen einem Paar starrer Endplatten. Die Endplatten werden daraufhin durch Spannstangen, die durch oder um die Endplatten verlaufen und auf die Endplatten eine Druckkraft ausüben, zusammengedrückt. Außerdem verlaufen die Spannstangen typisch über die Oberfläche der Endplatten hinaus und erhöhen dadurch das Volumen der Stapelkonstruktion. Wenn die Stapelkonstruktion Spannstangen nutzt, die um einen Umfang der Endplatte verteilt sind, um auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine Druckkraft auszuüben, kann es schwierig sein, die Spannstangen festzuziehen, um die gewünschte Druckkraft auszuüben. Das heißt, in einem Versuch, auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine gleichmäßig verteilte Druckkraft auszuüben, werden die Spannstangen in einem vorgegebenen Muster festgezogen. Allerdings ändert sich die durch die Endplatten ausgeübte Druckbelastung, während jede Spannstange festgezogen wird, so dass jede Spannstange in einem sich wiederholenden Prozess mehrmals erneut festgezogen werden muss, um eine allgemein gleichmäßige Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau zu erzielen. Außerdem verlaufen die Spannstangen typisch über die Oberfläche der Endplatten hinaus und erhöhen dadurch das Volumen der Stapelkonstruktion.
Typische Anwendungen, in denen Brennstoffzellen verwendet werden, erfordern, dass der Brennstoffzellenzusammenbau in einem Schutzgehäuse eingeschlossen ist. Das typische Schutzgehäuse ist über der vorhandenen Stapelkonstruktion angebracht und trägt zu dem Volumen der Gesamtstapelkonstruktion bei. Dadurch erhöht das Schutzgehäuse die Größe der Stapelkonstruktion, wobei aus der erhöhten Größe außer dem dadurch gewährten Schutz kein weiterer Nutzen gezogen wird. Da die Brennstoffzellen typisch in Anwendungen verwendet werden, bei denen der Raum große Bedeutung hat, ist es wünschenswert, eine in einem Schutzgehäuse mit minimalem Volumen enthaltene Brennstoffzelle zu schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne zusätzliche Mittel etwaige Maßtoleranzen der einzelnen Brennstoffzellenkomponenten auf einfache Art und Weise auszugleichen.
Ebenfalls wäre es vorteilhaft, eine Stapelkonstruktion zu schaffen, die auf den Brennstoffzellenzusammenbau leichter eine Druckkraft ausüben kann, wobei es noch vorteilhafter wäre, wenn das Druckkraftanwendungsmittel das Volumen der Stapelkonstruktion nur minimal erhöhen würde. Außerdem wäre es vorteilhaft, ein Schutzgehäuse für einen Brennstoffzellenzusammenbau zu schaffen, das das Volumen der Stapelkonstruktion nur minimal erhöht, wobei es noch vorteilhafter wäre, wenn das Schutzgehäuse nicht nur den Brennstoffzellenzusammenbau schützen würde, sondern auch in anderer Hinsicht nützlich wäre.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung ist auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Schaffung einer kompakten Brennstoffzellenstapelkonstruktion gerichtet, die den Brennstoffzellenzusammenbau zusammendrückt. Außerdem kann die Vorrichtung neben dem Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau schaffen.
Ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel der Erfindung enthält mehrere Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau besitzt ein gegenüberliegendes erstes Ende und zweites Ende sowie eine Länge dazwischen. An dem ersten Ende und an dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste Endplatte bzw. eine zweite Endplatte angeordnet. An der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte ist wenigstens eine Seitenwand mit einem gegenüberliegenden ersten Ende und zweiten Ende angebracht. Die Seitenwand hält die erste Endplatte und die zweite Endplatte in einer beabstandeten Beziehung, so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine Druckkraft ausüben.
Das erste Ende und das zweite Ende der Seitenwände können an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte angebracht sein, so dass die durch die erste Endplatte und durch die zweite Endplatte auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausgeübte Druckkraft eine vorgegebene Stärke besitzt. Alternativ können das erste Ende und das zweite Ende der Seitenwand an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte angebracht sein, so dass die Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus um eine vorgegebene Strecke zusammengedrückt ist.
Vorzugsweise haben die erste Endplatte und die zweite Endplatte jeweils eine Umfangsseitenwand, die einen Umfang der Endplatten definiert und allgemein parallel zu der Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus ist. Das erste Ende und das zweite Ende der Seitenwand sind an den Umfangsseitenwänden an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte angebracht.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die erste Endplatte und die zweite Endplatte allgemein rechteckige Endplatten mit einem ersten und mit einem zweiten Paar gegenüberliegender Seitenwände, die den Umfang jeder der Endplatten definieren. Die Seitenwand ist eine von mehreren Seitenplatten, wobei wenigstens eine Seitenplatte der mehreren Seitenplatten an einer Seitenwand des ersten Paars der gegenüberliegenden Seitenwände angebracht ist und eine andere wenigstens eine Seitenplatte der mehreren Seitenplatten an einer anderen Seitenwand des ersten Paars der gegenüberliegenden Seitenwände angebracht ist.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind und einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden, der ein gegenüberliegendes erstes Ende und zweites Ende sowie eine Länge dazwischen besitzt. An dem ersten Ende und an dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste Endplatte bzw. eine zweite Endplatte angeordnet. An der ersten Endplatte und an der zweiten Endplatte ist eine Seitenwand angebracht. Die Seitenwand besitzt ein gegenüberliegendes erstes Ende und zweites Ende, die an der ersten bzw. an der zweiten Endplatte angebracht sind. Die Seitenwand umschließt einen Abschnitt des Brennstoffzellenzusammenbaus zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte und schafft ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau. Vorzugsweise ist die Seitenwand so an den Endplatten angebracht, dass die Endplatten in einer beabstandeten Beziehung gehalten sind, so dass sie eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausüben.
Vorzugsweise schafft die Seitenwand eine Abschirmung vor elektromagnetischer Störung bei dem Brennstoffzellenzusammenbau. Noch bevorzugter ist die Seitenwand elektrisch geerdet.
Optional, aber bevorzugt, umfasst die Seitenwand mehrere Seitenplatten. Jede Seitenplatte der mehreren Seitenplatten umschließt eine andere Seite des Brennstoffzellenzusammenbaus zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte, so dass der gesamte Brennstoffzellenzusammenbau zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte von den mehreren Seitenplatten umschlossen ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels der Erfindung umfasst die folgenden Schritte: 1) Positionieren eines Brennstoffzellenzusammenbaus zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte, wobei ein erstes Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus zu der ersten Endplatte benachbart ist und ein zweites Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus zu der zweiten Endplatte benachbart ist; 2) Anwenden einer äußeren Druckkraft auf die wenigstens eine der Endplatten, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau zusammengedrückt wird; 3) Anbringen einer Seitenwand an den Endplatten, wobei das erste Ende und das zweite Ende der Seitenwand an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte angebracht werden, so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben und einen Innendruck erzeugen; 4) Entfernen der auf die Endplatten angewendeten äußeren Druckkraft.
Optional, aber bevorzugt, umfasst der Schritt des Anwendens der äußeren Druckkraft das Anwenden einer äußeren Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke und umfasst der Schritt des Anbringens der Seitenwand das Anbringen des ersten Endes und des zweiten Endes der Seitenwand an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte, so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben und auf den Brennstoffzellenzusammenbau einen Innendruck mit der vorgegebenen Stärke ausüben, wenn die äußere Druckkraft entfernt wird. Alternativ umfasst der Schritt des Anwendens der äußeren Druckkraft das Anwenden einer Druckkraft auf die Endplatten, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau entlang der Länge um eine vorgegebene Strecke zusammengedrückt wird, und umfasst der Schritt des Anbringens der Seitenwand das Anbringen des ersten Endes und des zweiten Endes der Seitenwand an der ersten Endplatte bzw. an der zweiten Endplatte, so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte in einer fest beabstandeten Beziehung mit einem vorgegebenen Abstand bleiben, wenn die äußere Druckkraft entfernt wird.
Optional, aber bevorzugt, umschließt die Seitenwand die Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte, so dass die Seitenwand ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau schafft.
Weitere Anwendungsgebiete der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung sichtbar. Selbstverständlich sind die ausführliche Beschreibung und spezifische Beispiele, obgleich sie die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeben, lediglich für Veranschaulichungszwecke bestimmt.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels der Erfindung;
2 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels aus 1 längs der Linie 2-2;
3 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels aus 1, die die Anbringung einer Seitenplatte an dem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel zeigt;
4 eine vereinfachte Teilansicht, die Einzelheiten einer Brennstoffzelle zeigt;
5A-G Querschnittsansichten verschiedener Konfigurationen für die Endplatte und für die Abstandsplatte des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels;
6A eine Draufsicht einer konturierten Innenfläche einer Endplatte gemäß den Prinzipien der Erfindung;
6B eine Querschnittsansicht der Endplatte aus 6A längs der Linie B-B;
6C eine Querschnittsansicht der Endplatte aus 6A längs der Linie C-C;
7A-B Teilquerschnittsansichten einer Endanordnung eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels der Erfindung, die verschiedene Arten der Anbringung der Endanordnung zeigen;
8 eine perspektivische Ansicht einer in einem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel der Erfindung verwendeten Abstandsplatte, die die Verwendung von Bohrungen zur Verringerung des Gewichts der Abstandsplatte zeigt;
9A-B vereinfachte Querschnittsansichten des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels aus 1, die das Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus bzw. des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke F veranschaulichen;
10A-B vereinfachte Querschnittsansichten des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels aus 1, die das Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus und des Brennstoffzellenstapels um eine vorgegebene Strecke D veranschaulichen;
11 einen Ablaufplan der Schritte des Verfahrens mit vorgegebener Druckkraft zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Prinzipien der Erfindung;
12 einen Ablaufplan der Schritte des Verfahrens mit vorgegebener Zusammendrückstrecke um eine vorgegebene Strecke zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Prinzipien der Erfindung; und
13 einen Ablaufplan der Schritte der Verwendung von Abstandsplatten zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einer vorgegebenen oder einheitlichen Länge.

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
In den 1 und 2 ist ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel 20 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 20 enthält mehrere Brennstoffzellen 22, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit einem gegenüberliegenden oberen Ende 26 und unteren Ende 28 sowie mit einer Drucklänge 30 und mit einer wie in 10A gezeigten drucklosen Länge 31 dazwischen bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau 24 liegt zwischen der oberen Endanordnung 32 und der unteren Endanordnung 34. Die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 sind durch eine Seitenwand in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform enthält die Seitenwand wenigstens eine Seitenplatte 36. Die Seitenplatten 36 halten die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 in einer beabstandeten Beziehung, so dass sie eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben. In Übereinstimmung mit der bekannten Brennstoffzellenstapeltechnologie enthält der Brennstoffzellenstapel 20 die Einlässe 37, die Auslässe 38 und die (nicht gezeigten) Durchgänge zum Zuführen und Ablassen der Reaktanden und Kühlfluidströme zu/von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24.
Wie in 4 zu sehen ist, enthält der Brennstoffzellenzusammenbau 24 mehrere sich wiederholende Einheiten oder Brennstoffzellen 22 mit einer MEA (Membran-Elektroden-Einheit) 40 und einem Paar Bipolplattenanordnungen 42, die auf den gegenüberliegenden Seiten der MEA 40 angeordnet sind. Jede Bipolplattenanordnung 42 enthält eine Kühlmittelverteilungsschicht 42c, die zwischen zwei Gasverteilungsschichten 42g liegt. Zwischen der Kühlmittelverteilungsschicht 42c und der Gasverteilungsschicht 42g liegt eine undurchlässige Trennplatte 44, die das Kühlmittel enthält und den Anoden- und Katodengasstrom trennt. Wenn zwischen einer Anodengasverteilungsschicht 42ga einer Zelle und der Katodengasverteilungsschicht 42gc der benachbarten Zelle eine MEA 40 liegt, ist eine Brennstoffzelle 22 gebildet. Wie im Gebiet bekannt ist, kann die MEA 40 eine Vielzahl von Formen annehmen. Zum Beispiel kann die MEA 40 eine Polymerelektrolytmembran sein. Vorzugsweise ist die Polymerelektrolytmembran eine dünne verstärkte Membran mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 0,018 µm. Die dünne verstärkte Polymerelektrolytmembran ist wesentlich dünner als die in Brennstoffzellen des Standes der Technik verwendete Polymerelektrolytmembran mit einer Dicke von etwa 0,178 mm. Die in der Erfindung verwendete dünne und verstärkte Polymerelektrolytmembran repräsentiert einen kleineren Prozentsatz der Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und zeigt erheblich weniger Gleiten oder Spannungsrelaxation als die in Brennstoffzellenstapeln des Standes der Technik verwendete dickere Polymerelektrolytmembran.
Die Brennstoffzellen 22 sind in einer Stapelkonfiguration angeordnet, so dass sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 bilden. Die Anzahl der Brennstoffzellen 22, die benachbart zueinander gestapelt sind, so dass sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 bilden, kann variieren. Die Anzahl der Brennstoffzellen 22, die genutzt werden, um den Brennstoffzellenzusammenbau 24 zu bilden, hängt von den Anforderungen an den Brennstoffzellenstapel 20 ab. Das heißt, wenn ein größerer oder leistungsfähigerer Brennstoffzellenstapel 20 gewünscht ist, wird die Anzahl der Brennstoffzellen 22 in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 erhöht. Wie im Gebiet bekannt ist, müssen die Brennstoffzellen 22 mit Druck beaufschlagt werden, so dass sie einen höheren Wirkungsgrad besitzen und mehr Leistung erzeugen. Somit wird der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zwischen der oberen Endanordnung 32 und der unteren Endanordnung 34 mit Druck beaufschlagt. Um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und jeder Brennstoffzelle 22 in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 maximal zu machen, wird der (nicht gezeigte) aktive Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 vorzugsweise gleichmäßig mit Druck beaufschlagt.
Erneut anhand der 2 und 3 ist die obere Endanordnung 32 benachbart zum oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die obere Endanordnung 32 enthält eine obere Endplatte 45 mit einer gegenüberliegenden Innenfläche 46 und Außenfläche 48. Die Innenfläche 46 der oberen Endplatten 45 ist dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt. Die obere Endplatte 45 besitzt zahlreiche Öffnungen 50, die ermöglichen, dass die verschiedenen Einlässe 37 und Auslässe 38 mit den Fluiddurchgängen verbunden sind, die von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 in die Umgebung des Brennstoffzellenstapels 20 verlaufen. Dasjenige Ende des Brennstoffzellenstapels 20, das die mit den Durchgängen verbundenen Einlässe 37 und Auslässe 38 besitzt, wird auch als das „nasse Ende“ bezeichnet.
Die untere Endanordnung 34 ist benachbart zum unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die untere Endanordnung 34 enthält eine untere Endplatte 58 mit einer Innenfläche 60 und einer Außenfläche 62, die einander gegenüberliegen. Die untere Endplatte 58 ist so orientiert, dass die Innenfläche 60 der unteren Endplatte 58 dem unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt ist. Wenn es keine mit den Fluiddurchgängen verbundenen Einlässe und Auslässe gibt, die durch die untere Endanordnung 34 gehen, ist das untere Ende 28 des Brennstoffzellenstapels 20 auch als das „trockene Ende“ bekannt.
Optional, aber bevorzugt, können sich zwischen dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 eine oder mehrere Abstandsplatten 52 befinden. Die Abstandsplatte 52 ist zwischen der Endplatte 45, 58 und dem Ende 26, 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert, wobei die Innenfläche 54 der Abstandsplatte 52 dem Ende 26, 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt ist und die Außenfläche 55 der Abstandsplatte 52 der Innenfläche 54, 60 der Endplatte 45, 58 zugewandt ist. Wenn an dem Ende 26, 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine Anschlussplatte 56 positioniert ist, ist die Abstandsplatte 52 zwischen der Anschlussplatte 56 und der Endplatte 45, 58 positioniert, wobei die Innenfläche 54 der Abstandsplatte 52 der Anschlussplatte 56 zugewandt ist. Die Abstandsplatte 52 trennt die Endplatte 45, 58 von der Anschlussplatte 56. Die Abstandsplatten 52 sind so in den Endanordnungen 32, 34 orientiert, dass die Dicke 57 der Abstandsplatte 52 auf die Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Während die bevorzugte Ausführungsform eine Abstandsplatte 52 veranschaulicht, die der oberen Endanordnung 32 und der unteren Endanordnung 34 zugeordnet ist, erkennt der erfahrene Praktiker, dass die Anzahl und der Ort der Abstandsplatten 52 je nach Konstruktion und Anwendung des Brennstoffzellenstapels 20 variieren kann.
Die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 besitzen jeweils eine Umfangsseitenwand 64, die die Innenflächen 46, 60 von den Außenflächen 48, 62 trennt. Die Umfangsseitenwand 64 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 ist auf die Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet. Wie in den Figuren gezeigt ist, besitzen der Brennstoffzellenstapel 20, die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 vorzugsweise eine allgemein rechteckige Form. Die Umfangsseitenwände 64 der rechteckig geformten oberen Endplatte 45 und der rechteckig geformten unteren Endplatte 58 umfassen ein erstes und ein zweites Paar gegenüberliegender Seitenwände 66, 68, die allgemein senkrecht zueinander sind. Das erste und das zweite Paar der gegenüberliegenden Seitenwände 66, 68 besitzt jeweils eine oder mehrere Gewindebohrungen 70, die Gewindebefestigungselemente 80 aufnehmen, die die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 befestigen.
Wie oben erwähnt wurde, üben die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 aus. Die auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübte Druckkraft wird durch die obere Endplatte 45 und durch die untere Endplatte 58 erzeugt, die in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten sind. Vorzugsweise sind die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 durch die Seitenplatten 36 in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten. Jede Seitenplatte 36 besitzt ein gegenüberliegendes erstes Ende 72 und zweites Ende 74 sowie eine Länge 76 dazwischen. Jede Seitenplatte 36 ist in dem Brennstoffzellenstapel 20 so orientiert, dass das erste Ende 72 zu der oberen Endplatte 45 benachbart ist und das zweite Ende 74 zu der unteren Endplatte 58 benachbart ist, wobei die Länge 76 der Seitenplatte 36 auf die Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Optional, aber bevorzugt, verlaufen die Seitenplatten 36 entlang der gesamten Umfangsseitenwände 64 der Endplatten 45, 58. Das erste Ende 72 und das zweite Ende 74 jeder Seitenplatte 36 besitzen eine oder mehrere Öffnungen 78, die auf die Gewindebohrungen 70 in den Umfangsseitenwänden 64 der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 ausgerichtet sind, wenn der Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit Druck beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß haben die Öffnungen 78 am ersten Ende 72 und/oder am zweiten Ende 74 jeder Seitenplatte 36 die Form eines Schlitzes, so dass die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten sein können. Die Schlitze ermöglichen Schwankungen der Größe der verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20, während sie die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 weiter in einer fest beabstandeten Beziehung halten können. Obgleich zur Anbringung der Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 bevorzugt mechanische Gewindebefestigungselemente 80 verwendet werden, erkennt der erfahrene Praktiker, dass zum Anbringen der Seitenplatte 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 andere Mittel verwendet werden können, ohne von dem durch die Ansprüche definierten Umfang der Erfindung abzuweichen. Diesbezüglich sollte die durch die Seitenplatten 36 und die Endplatten 45, 58 gebildete Verbindung ausreichen, um der relativen Drehung an der Grenzfläche dazwischen zu widerstehen. Beispielsweise können das erste Ende 72 und/oder das zweite Ende 74 der Seitenplatten 36 durch andere mechanische Befestigungsmittel wie etwa Niete oder Stifte oder durch verschiedene Verbindungsmittel wie etwa Schweißen, Hartlöten oder Kleben an der jeweiligen oberen Endplatte 45 und/oder unteren Endplatte 58 befestigt sein, wobei dies weiterhin im Erfindungsgedanken liegt. Außerdem kann selbstverständlich eines der Enden 72, 74 der Seitenplatten 36 gebogen sein, so dass es ein (nicht gezeigtes) Halteelement bildet, das an einer der Endplatten 45, 48 positioniert sein kann, um die Endplatte 45, 48 zu halten, während das gegenüberliegende Ende 72, 74 der Seitenplatten 36 an der gegenüberliegenden Endplatte 45, 48 angebracht ist und die Endplatten in einer fest beabstandeten Beziehung hält.
Bei Bedarf kann jede Seitenplatte 36 eine oder mehrere Öffnungen 82 besitzen, die ermöglichen, dass ein Anschlussblock 83 an der Anschlussplatte 56 ins Innere des Brennstoffzellenstapels 20 verläuft. Vorzugsweise ist jede Seitenplatte 36 elektrisch geerdet, wobei sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 vor elektromagnetischer Störung schützt. Außerdem ist jede Seitenplatte 36 vorzugsweise aus Metall hergestellt. Die Seitenplatten 36, die dazu verwendet werden, die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung zu halten, sind so bemessen, dass sie die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in der fest beabstandeten Beziehung halten, während die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben und aufrechterhalten. Da die Breite der Seitenplatte 36 verhältnismäßig groß ist, ist eine verhältnismäßige kleine Dicke erforderlich, um die zum Übertragen der Druckbelastung erforderliche Zugfestigkeit zu liefem. Dieser Aspekt der Erfindung repräsentiert gegenüber der herkömmlichen Verwendung axialer Stäbe um und/oder durch den Brennstoffzellenzusammenbau Gewichtseinsparungen.
Vorzugsweise schließt die eine oder schließen die mehreren Seitenplatten 36 wenigstens einen Abschnitt des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ein, um für den Brennstoffzellenzusammenbau 24 einen Schutz vor versehentlicher Beschädigung zu schaffen. Noch bevorzugter schließen die Seitenplatten 36 den gesamten Brennstoffzellenzusammenbau 24 ein, wobei sie eine Schutzhülle für ihn und für den gesamten Brennstoffzellenstapel 20 schaffen. Dementsprechend sind die Seitenplatten 36 so bemessen, dass sie Stöße, Schläge sowie weitere verschiedenartige schädliche Einwirkungen aushalten, während sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 und den Brennstoffzellenstapel 20 vor Beschädigung im Ergebnis des Stoßes, des Schlags oder der weiteren schädlichen Einwirkung schützen. Auf diese Weise bewirken die Seitenplatten 36 nicht nur, dass die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten sind, die eine Druckbelastung auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausübt und aufrechterhält, sondern schafft sie außerdem eine Schutzhülle für den Brennstoffzellenzusammenbau 24 und für den Brennstoffzellenstapel 20. Die Verwendung der Seitenplatten 36 zur Ausführung der Schutzfunktion beseitigt die Notwendigkeit einer Zusatzkonstruktion, die in herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln um den Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet ist, um einen Schutz vor versehentlichen Stößen, Schlägen oder anderen schädlichen Einwirkungen auf den Brennstoffzellenstapel 20 zu schaffen.
Die optional in der oberen Endanordnung 32 und/oder in der unteren Endanordnung 34 enthaltenen Abstandsplatten 52 dienen einer Vielzahl von Zwecken. Das heißt, die Abstandsplatten 52 können aus einem oder aus mehreren Gründen in dem Brennstoffzellenstapel 20 enthalten sein. Zum Beispiel können die Abstandsplatten 52 verwendet werden, um die obere Endplatte 45 und/oder die untere Endplatte 58 von den Anschlussplatten 56 zu trennen. Wie oben erwähnt wurde, sind die Anschlussplatten 56 elektrisch leitend und werden dazu verwendet, über den Anschlussblock 83 Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zu entnehmen. Wenn die obere Endplatte 45 und/oder die untere Endplatte 58 elektrisch leitend sind, kann die zwischen der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 und den Anschlussplatten 56 positionierte Abstandsplatte 52 dazu verwendet werden, die obere Endplatte 45 und/oder die untere Endplatte 58 von den Anschlussplatten 56 elektrisch zu isolieren. Außerdem können die Abstandsplatten 52 dazu verwendet werden, die Gesamtabmessungen des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Das heißt, zwischen dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 können eine oder mehrere Abstandsplatten 52 positioniert sein, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einer vorgegebenen Länge zu schaffen, während die Endanordnungen 32, 34, wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, weiter eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben. Derzeit bevorzugt hat die Abstandsplatte bzw. haben die Abstandsplatten 52 eine Dicke 57 im Bereich von etwa 8-18 mm, um eine angemessene elektrische Isolation und einheitliche Abmessung des Brennstoffzellenstapels 20 zu schaffen. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt aber, dass die besondere Anwendung und die besondere Konstruktionsspezifikation die Dickenbereiche 57 der Abstandsplatte(n) 52 vorschreiben. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, können die Abstandsplatten 52 außerdem zusammen mit der oberen Endplatte 45 und/oder mit der unteren Endplatte 58 dazu verwendet werden, eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 auszuüben.
Vorzugsweise sind die Abstandsplatten 52 nicht leitend und können zum elektrischen Isolieren verschiedener Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 dienen. Somit sind die Abstandsplatten 52 vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material wie etwa Kunststoff hergestellt. Noch bevorzugter sind die Abstandsplatten 52 aus einem Hochleistungsspezialkunststoff hergestellt. Der zur Herstellung der einen oder der mehreren Abstandsplatten 52 verwendete Hochleistungsspezialkunststoff ist unter der Stärke der Druckbelastung, die auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübt wird, verhältnismäßig inkompressibel (d. h. weist nur eine unbedeutende Spannungsrelaxation auf), um die Druckbelastung von der oberen Endplatte 45 und/oder von der unteren Endplatte 58 auf das jeweilige obere Ende 26 bzw. untere Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu übertragen. Insbesondere Polyphenylensulfid hat sich als besonders wirksames Material erwiesen, aus dem die Abstandsplatten 52 hergestellt sein können. Polyphenylensulfid wird unter dem Markenzeichen RYTON PPS von der Chevron Phillips Chemical Company, L. P., und unter dem Markenzeichen FORTRON von der Celanese AG aus Frankfurt, Deutschland, vertriebenen. Wie in 7 zu sehen ist, haben die Abstandsplatten 52 vorzugsweise einen Durchbruch oder mehrere Durchbrüche 84, die das Gewicht der Abstandsplatten 52 verringern.
Wie oben erwähnt wurde, sind die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 durch die Seitenplatten 36 in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten, wobei sie auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine Druckbelastung ausüben. Wie zuvor beschrieben wurde, sind die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 durch die Seitenplatten 36 in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten. Die am oberen Ende 26 und am unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 erzeugte Druckbelastung ändert sich in Abhängigkeit vom Abstand von den Umfangsseitenwänden 64 bei der Druckbelastung, wobei sie entlang der Umfangsseitenwände 64 maximal und in der Mitte der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 minimal ist. Das heißt, da die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 lediglich entlang ihrer Umfangsseitenwände 64 gehalten sind, verformen oder wölben sich die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in Reaktion auf die Druckbelastung auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 sowie darauf, dass sich die Umfangsseitenwände 64 der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 nicht wegbewegen können. Da der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 teilweise von einer gleichmäßigen Druckbelastung über den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 abhängt, ist es wünschenswert, über den gesamten aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung aufrechtzuerhalten.
Ein Mittel, um eine allgemein gleichmäßige Belastung zu erhalten, besteht darin, die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 starr zu machen, indem ihre Dicke erhöht wird, so dass die in der oberen Endplatte 45 und in der unteren Endplatte 58 auftretende Wölbung eine minimale Wirkung auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 besitzt. Allerdings können die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 auf diese Weise übermäßig dick werden und ein Zusatzgewicht zu dem Brennstoffzellenstapel 20 beitragen, wodurch sich der gewichts- und volumenspezifische Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels verschlechtert. Um verhältnismäßig starre Endplatten 45, 58 zu vermeiden, können diese optional an den Abstandsplatten 52 und an den Anschlussplatten 56 angebracht sein, so dass die Steifheit der Abstandsplatten 52 und der Anschlussplatten 56 zu der Gesamtsteifheit der Endanordnungen 32, 34 beiträgt und dadurch die Dicke der Endplatten 45, 58, die erforderlich ist, um über den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung auszuüben, zu verringert. Wie in den 7A-B zu sehen ist, bedeutet das, dass die Anschlussplatte 56, die Abstandsplatten 52 und die Endplatten 45, 58 aneinander befestigt sein können, um ihre Steifheit zu vereinigen und Endanordnungen 32, 34 zu bilden, die auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausüben können. Wie in 7A zu sehen ist, kann die Anschlussplatte 56 mittels eines mechanischen Befestigungselements 86 wie etwa eines Gewindebolzens oder einer Schraube mit der Abstandsplatte 52 verbunden werden, woraufhin die verbundene Anschlussplatte 56 und Abstandsplatte 52 mittels der mechanischen Befestigungselemente 87 an einer der Endplatten 45, 58 angebracht werden können. Alternativ können die Anschlussplatte 56, die Abstandsplatten 52 und eine der Endplatten 45, 58 alle mittels Klebeschichten 88 zwischen den jeweiligen Komponenten angebracht werden. Dadurch verbindet sich die Steifheit der Anschlussplatte 56 und die Steifheit der Abstandsplatte 52 mit der Steifheit der Endplatten 45, 58, um Endanordnungen 32, 34 zu schaffen, die eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit dünneren Endplatten 45, 58 als ohne die an den Endplatten 45, 58 angebrachte Anschlussplatte 56 oder Abstandsplatten 52 ausüben können.
Alternativ und/oder zusätzlich können die Endplatten 45, 58 und/oder die Abstandsplatten 52 geformte Oberflächen besitzen, die die Wölbung der Endplatten 45, 58 kompensieren und über den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausüben, ohne dass übermäßig dicke Endplatten 45, 58 erforderlich sind. Das heißt, wie in den 5AG zu sehen ist, die lediglich die obere Endplatte 45 und eine einzelne Abstandsplatte 52 zeigen, kann die Innenfläche 46 der oberen Endplatte 45 so bemessen sein, dass sie von der oberen Endplatte 45 weg und zu dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 gekrümmt ist, so dass die Dicke der oberen Endplatte 45 entlang einer Umfangsseitenwand 64 minimal ist, während sie in der Mitte der oberen Endplatte 45 maximal ist. Die Form der Innenfläche 46 der oberen Endplatte 45 ist so konturiert, dass sie die Wölbung berücksichtigt, die in der oberen Endplatte 45 auftritt, da diese entlang ihrer Umfangsseitenwand 64 in einer fest beabstandeten Beziehung von der oberen Endplatte 58 gehalten wird, während auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine Druckbelastung mit einer gewünschten Stärke ausgeübt wird. Die 6A-C zeigen eine beispielhafte Kontur der Innenfläche 46 der oberen Endplatte 45. Wie zu sehen ist, besitzt die obere Endplatte 45 etwa in ihrer Mitte die maximale Dicke.
Alternativ und/oder zusätzlich können die Innen- und/oder die Außenfläche 54, 55 der Abstandsplatte 52 so konturiert sein, dass sie die in der oberen Endplatte 45 auftretende Wölbung berücksichtigen. Das heißt, die Abstandsplatte 52 kann so konfiguriert sein, dass ihre Dicke entlang ihres Umfangs minimal und in ihrer Mitte maximal ist. Zum Beispiel kann die Innenfläche 54 der Abstandsplatte 52, wie in 5G gezeigt ist, so konturiert sein, dass sie von der Abstandsplatte 52 zu dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 verläuft, oder kann die Außenfläche 55 der Abstandsplatte 52, wie in 5E zu sehen ist, so konturiert sein, dass sie von der Abstandsplatte 52 zu der oberen Endplatte 45 verläuft, so dass durch die Endplatte 45 auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausgeübt werden kann. Wie in 5F zu sehen ist, können alternativ sowohl die Innenfläche 54 als auch die Außenfläche 55 der Abstandsplatte 52 so konturiert sein, dass sie von der Abstandsplatte 52 zu dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 bzw. zu der Innenfläche 46 der oberen Endplatte 45 verlaufen, so dass auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausgeübt werden kann.
In den 5A-G sind verschiedene Vertauschungen der Formgebung der Innenfläche 54 und der Außenfläche 55 der Abstandsplatte 52 und der Innenfläche 46 der oberen Endplatte 45 gezeigt. Die konturierte Form der Oberflächen der oberen Endplatte 45 und/oder der Abstandsplatte 52 kann so bemessen sein, dass nicht nur die Wölbung der oberen Endplatte 45, sondern auch die Wölbung der unteren Endplatte 58 berücksichtigt ist, so dass sowohl das obere Ende 26 als auch das untere Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung aufnehmen. Selbstverständlich können die Innenfläche 60 der unteren Endplatte 58 und die Innenfläche 54 und die Außenfläche 55 einer Abstandsplatte 52 in der unteren Endanordnung 34 gleichfalls so konturiert oder geformt sein, dass die Komponenten der unteren Endanordnung 34 auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausüben. Der erfahrene Praktiker erkennt, dass in der Innenfläche 46 verschiedene lokale Merkmale ausgebildet sein können, um eine gleichmäßigere Druckbelastung über den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu erhalten. Somit können die Oberflächen der Komponenten der oberen Endanordnung 32 und/oder der der unteren Endanordnung 34 selbstverständlich entweder einzeln oder gleichzeitig so konturiert oder geformt sein, dass auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung ausgeübt wird. Selbstverständlich sind die in den verschiedenen Figuren gezeigten Abmessungen für Erläuterungszwecke übertrieben und stehen nicht im richtigen Verhältnis zu den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20. Das heißt, die Wölbung der Endplatten 45, 58 und die Korrektur durch die Formgebung der Oberflächen der Endplatten 46, 58 und/oder der Abstandsplatten 52 sind zur besseren Erläuterung der Prinzipien der Erfindung selbstverständlich übertrieben. Selbstverständlich sollen die Begriffe „obere“ und „untere“ zur Beschreibung der verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 nicht als absolute Bezugnahme, sondern vielmehr als Relativbeziehung der Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 verstanden werden.
Obgleich der Brennstoffzellenstapel 20 allgemein mit einer rechteckigen Konfiguration beschrieben und veranschaulicht ist, kann die Form des Brennstoffzellenstapels 20 selbstverständlich eine Vielzahl von Konfigurationen annehmen, wobei sie weiter in dem durch die Ansprüche definierten Umfang der Erfindung liegt. Zum Beispiel können der Brennstoffzellenstapel 20, der Brennstoffzellenzusammenbau 24, die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 zylindrisch sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 zylindrisch ist, kann die Seitenplatte 36 eine einzige zylindrische Hülse sein, in die die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 und der Brennstoffzellenzusammenbau 24 eingeführt sind. Außerdem könnten die Seitenplatten 36 Abschnitte einer zylindrischen Hülse sein, die die Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 umschließt. Somit sollte die Verwendung des Begriffs „Seitenplatte“ nicht auf eine ebene Platte beschränkt sein, sondern vielmehr als eine Platte verstanden werden, die eben oder gekrümmt sein kann oder eine Vielzahl von Formen annehmen kann, die die besondere Form des Brennstoffzellenstapels 20 vorschreibt.
Wie zuvor festgestellt wurde, besitzt der Brennstoffzellenstapel 20 einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der mit einer Druckbelastung gehalten wird, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau 24 einen höheren Wirkungsgrad besitzt. Ferner umfasst die Erfindung verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit einem Brennstoffzellenzusammenbau 24 unter einer Druckbelastung. In einem ersten Verfahren, dem Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung, werden der Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder der Brennstoffzellenstapel 20, wie in den 9A-B und 11 zu sehen ist, mit einer äußeren Druckbelastung zusammengedrückt, die eine innere Druckbelastung mit einer vorgegebenen Stärke F auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 erzeugt. Daraufhin werden die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 befestigt, um die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung zu halten, wenn die äußere Druckbelastung von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt wird. Da die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer festen räumlichen Beziehung gehalten werden, nachdem die äußere Druckbelastung entfernt worden ist, wird durch die obere Endplatte 45 und durch die untere Endplatte 58 wie im Folgenden ausführlicher diskutiert auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 weiter eine innere Druckbelastung ausgeübt.
Wie in den 10A-B und 12 zu sehen ist, werden der Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder der Brennstoffzellenstapel 20 in einem zweiten Verfahren, dem Verfahren mit vorgegebener Zusammendrückstrecke, durch eine äußere Druckbelastung C um eine vorgegebene Strecke D zusammengedrückt. Mit anderen Worten, die Stärke der äußeren Druckbelastung ist ausreichend, um den Brennstoffzellenzusammenbau 24 um eine vorgegebene Strecke D zusammenzudrücken. Daraufhin werden (wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird) die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 angebracht. Daraufhin wird die äußere Druckbelastung entfernt. Die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 bleiben in ihrer fest beabstandeten Beziehung. Der Brennstoffzellenzusammenbau 24 bleibt allgemein um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt, um eine innere Druckbelastung darauf auszuüben.
Wie zuvor festgestellt wurde, umfasst das Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit einem Brennstoffzellenzusammenbau 24 unter einer Druckbelastung mit einer vorgegebenen Stärke F das Anwenden einer äußeren Druckbelastung auf den Brennstoffzellenstapel 20. Das Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung enthält die folgenden Schritte: 1) Positionieren des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zwischen der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58, wobei das obere Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu der oberen Endplatte 45 benachbart ist und das untere Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu der unteren Endplatte 58 benachbart ist; 2) Anwenden einer äußeren Druckkraft auf die Endplatte 45 und/oder auf die Endplatte 58, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammengedrückt wird und auf ihn eine innere Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke F ausgeübt wird; 3) Anbringen der Seitenplatten 36 an den Endplatten 45, 58, wobei das erste Ende 72 und das zweite Ende 74 der Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 bzw. an der unteren Endplatte 58 angebracht werden; und 4) Entfernen der auf die Endplatte 45 und/oder auf die Endplatte 58 angewendeten äußeren Druckkraft, wobei die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben, so dass sie auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine Druckkraft ausüben, die allgemein gleich der vorgegebenen Stärke F ist. Dadurch schafft das Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung einen Brennstoffzellenstapel 20, dessen Druckkraft allgemein gleich der auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübten Kraft mit der Stärke F ist.
Wenn zum Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels 20 das Verfahren mit vorgegebener Zusammendrückstrecke verwendet wird, werden der Brennstoffzellenstapel 20 und/oder der Brennstoffzellenzusammenbau 24 demgegenüber um eine vorgegebene Strecke D anstatt mit einer Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke F zusammengedrückt. Der Bezugspunkt für die vorgegebene Strecke D könnte eine Gesamtlänge des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 selbst sein. Somit wird im Folgenden nur das Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 um die vorgegebene Strecke D und nicht das Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels 20 erwähnt. Allerdings könnte das Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapelzusammenbaus 24 um die vorgegebene Strecke D selbstverständlich auch durch Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels 20 um die vorgegebene Strecke D erfolgen. Vorzugsweise entspricht die vorgegebene Strecke D dem Anwenden einer solchen Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24, die zu einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 mit hohem Wirkungsgrad führt. Die vorgegebene Strecke D zum Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann auf eine Vielzahl von Arten bestimmt werden. Zum Beispiel kann die vorgegebene Strecke D anhand des Zusammendrückens um eine feste Strecke für jede in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 enthaltene Brennstoffzelle 22 berechnet werden oder, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, auf empirischen Daten aus früherer Erfahrung beim Zusammendrücken von Brennstoffzellenzusammenbauen 24 mit einer bekannten Anzahl von Brennstoffzellen 22 beruhen. Wenn die vorgegebene Strecke D bestimmt worden ist, wird auf den Brennstoffzellenstapel 20 eine äußere Druckbelastung angewendet, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 und/oder der Brennstoffzellenzusammenbau 24 um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt werden. Daraufhin werden die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 angebracht und wird die äußere Druckbelastung entfernt. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist und eine innere Druckbelastung besitzt, die dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 mit hohem Wirkungsgrad entspricht.
Wenn die vorgegebene Strecke D rechnerisch (d. h. anhand des Zusammendrückens jeder Brennstoffzelle um eine feste Strecke) ermittelt wird, wird jede Brennstoffzelle 22 um eine gegebene Strecke zusammengedrückt. Die vorgegebene Strecke D, um die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammenzudrücken ist, wird dadurch berechnet, dass die Anzahl der Brennstoffzellen 22, n, in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit der festen Strecke d multipliziert wird, um die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist. Mit anderen Worten, es wird die Gleichung D = n · d verwendet. Die feste Strecke, um die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist, wird also so gewählt, dass auf die Brennstoffzelle 22 eine Druckkraft ausgeübt wird, deren Stärke allgemein einem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit hohem Wirkungsgrad entspricht. Das heißt, die feste Strecke d, um die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist, beruht auf den physikalischen Eigenschaften der Brennstoffzellen 22 und auf der Stärke des Drucks, den die Brennstoffzellen 22 benötigen, um mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist und eine Druckbelastung besitzt, die dem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit hohem Wirkungsgrad entspricht.
Wenn die vorgegebene Strecke D zum Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 auf empirischen Daten beruht, wird sie gegenüber dem Zusammendrücken jeder Brennstoffzelle 22 um eine feste Strecke aus früheren Erfahrungen beim Zusammendrücken von Brennstoffzellenzusammenbauen 24 mit einer bekannten Druckbelastung bestimmt. Die resultierende vorgegebene Strecke D kann für beide Verfahren gleich sein. Wegen der allgemeinen Einheitlichkeit der Zusammensetzung der Brennstoffzellen 22, die ein Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst, kann für jeden Typ einer Brennstoffzelle 22 eine allgemeine Korrelation zwischen der Anzahl der Brennstoffzellen 22 und der Zusammendrückstrecke des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und/oder des Brennstoffzellenstapels 20, die auftritt, wenn auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine Druckkraft mit einer bekannten Stärke ausgeübt wird, aufgestellt werden. Die Korrelation kann dazu verwendet werden, anhand der Anzahl der Brennstoffzellen 22, die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst, die vorgegebene Strecke D zu bestimmen, um die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammenzudrücken ist, um auf ihn eine Druckkraft mit einer gewünschten Stärke auszuüben. Empirische Daten zeigen z. B., dass auf Brennstoffzellenzusammenbaue, die 50 und 200 Brennstoffzellen enthalten und um eine Strecke X bzw. 4X zusammengedrückt werden, eine Druckkraft mit der gewünschten Stärke ausgeübt wird. Ein Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Brennstoffzellenzusammenbau 24, der 100 ähnliche Brennstoffzellen 22 umfasst, würde um eine Strecke 2X zusammengedrückt werden und sollte anhand der Korrelation allgemein eine Druckkraft mit der gleichen gewünschten Stärke auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben.
Da es in der Zusammensetzung irgendeines gegebenen Typs der Brennstoffzelle 22 eine gewisse Streuung gibt, kann die auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübte Druckkraft variieren. Der Betrag der Schwankung der resultierenden Druckkraft hängt von der Genauigkeit der Korrelationen und von der Streuung der Brennstoffzellen 22 ab. Vorzugsweise variiert die resultierende Druckkraft innerhalb eines akzeptablen Bereichs um die gewünschte Stärke, so dass die Schwankung eine vernachlässigbare Wirkung auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 hat. Dadurch liefert das Verfahren mit empirischen Daten einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Brennstoffzellenzusammenbau 24, auf den eine Druckkraft ausgeübt wird, die allgemein gleich einer gewünschten Stärke ist, die dem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit hohem Wirkungsgrad entspricht, wenn dieser um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist.
Wie oben erwähnt wurde, können die Abstandsplatten 52 verwendet werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einer vorgegebenen oder einheitlichen Länge L zu schaffen. Das heißt, die Abstandsplatten 52 können in dem Brennstoffzellenstapel 20 verwendet werden, um Raum zu belegen, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 eine vorgegebene oder einheitliche Länge L besitzt. Eine einheitliche Länge L bietet viele Vorteile. Beispielsweise ermöglicht eine einheitliche Länge L, dass die Brennstoffzellenstapel leicht gewechselt werden können, und außerdem, dass die Vorrichtungen, in denen der Brennstoffzellenstapel 20 genutzt wird, genormte Räume für den Brennstoffzellenstapel 20 besitzen.
Die Erfindung schafft verschiedene wie in den 13a-13b gezeigte Zusammenbaufolgen für einen Brennstoffzellenstapel mit einer einheitlichen Länge L. Die gewünschte vorgegebene oder einheitliche Länge L des Brennstoffzellenstapels 20 kann entweder eine bekannte Länge wie etwa eine Industrienorm oder eine gewählte Länge sein. Auf jeden Fall ist die Gesamtlänge L eine bekannte Größe. Die Dicke der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58, irgendwelcher in dem Brennstoffzellenstapel 20 verwendeter Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten der Endanordnungen 32, 34 kann gemessen werden, so dass sie bekannte Größen sind. Anhand dieser bekannten Grö-ßen/Abmessungen kann der Raum in dem Brennstoffzellenstapel 20 berechnet werden, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet werden soll, so dass er ebenfalls eine bekannte Größe ist. Das heißt, die Länge des Raums in dem Brennstoffzellenstapel 20, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet werden soll, ist gleich der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des Brennstoffzellenstapels 20, abzüglich der Abmessungen der Endplatten 45, 58, irgendwelcher Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten, aus denen die Endanordnungen 32, 34 aufgebaut sind. Die einzige unbekannte Abmessung ist die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24. Die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann je nach dem Verfahren, das wie oben erörtert zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 20 verwendet wird, und nach der Anzahl der Brennstoffzellen 22, die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst, variieren.
Wie oben festgestellt wurde, können bei dem Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung Abstandsplatten 52 verwendet werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einer vorgegebenen oder einheitlichen Länge L herzustellen, wobei auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine Druckbelastung ausgeübt wird, die allgemein gleich der vorgegebenen Stärke F ist. Hierzu muss entweder die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 oder die Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 bestimmt werden, so dass die geforderte gemeinsame Dicke der einen oder der mehreren Abstandsplatten 52 ermittelt werden kann.
Die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann auf eine der folgenden Arten bestimmt werden: (1) Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit einer äußeren Druckbelastung, so dass eine innere Druckbelastung mit der vorgegebenen Stärke F erhalten wird, und Messen der Drucklänge 30, wie in 9A zu sehen ist; oder (2) Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels 20 mit einer äußeren Belastung, so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine innere Druckbelastung mit einer vorgegebenen Stärke F ausgeübt wird, wie in 9B zu sehen ist, und entweder (A) Messen der Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24; oder (B) Messen der Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 und Berechnen der Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 durch Subtrahieren der bekannten Abmessungen der Endplatten 45, 58, der Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten der Endanordnungen 32, 34. Wenn die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 bestimmt worden ist, kann die äußere Druckbelastung von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 oder von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt werden. Die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 wird dazu verwendet, die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 für die Herstellung des Brennstoffzellenstapels 20 mit der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L zu berechnen. Die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 ist (wie oben diskutiert wurde) gleich der Differenz zwischen der Länge des Raums, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet werden soll, und der Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24. Somit kann die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 berechnet werden.
Alternativ kann die Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 mit einer inneren Druckbelastung auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit der vorgegebenen Stärke F verwendet werden. Die Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 kann dadurch bestimmt werden, dass der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer äußeren Druckbelastung zusammengedrückt wird, so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine innere Druckbelastung mit der vorgegebenen Stärke F ausgeübt wird, und daraufhin die Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 gemessen wird. Daraufhin wird die äußere Druckbelastung auf den Brennstoffzellenstapel entfernt. Es wird die Differenz zwischen der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des Brennstoffzellenstapels 20 und der gemessenen Drucklänge des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet. Die berechnete Differenz ist die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52.
Wenn die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 bestimmt worden ist, werden eine oder mehrere Abstandsplatten 52 mit der geforderten gemeinsamen Dicke gewählt. Die gewählten Abstandsplatten 52 werden zwischen der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 und dem jeweiligen oberen Ende 26 und/oder unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die Abstandsplatten 52 werden so orientiert, dass die gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 auf die Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Daraufhin wird der Brennstoffzellenstapel 20 durch Anwenden einer äußeren Druckbelastung auf ihn zusammengedrückt, so dass er allgemein die vorgegebene oder einheitliche Länge L erhält. Die resultierende innere Druckbelastung des Brennstoffzellenstapels 20 mit der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L sollte allgemein gleich der vorgegebenen Stärke F sein. Daraufhin werden die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 befestigt, so dass die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 den Brennstoffzellenstapel 20 allgemein auf der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L halten. Schließlich wird die äußere Druckbelastung von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt eine Länge, die allgemein gleich der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L ist, wobei der Brennstoffzellenzusammenbau 24 allgemein mit der vorgegebenen Stärke F zusammengedrückt ist.
In dem Verfahren mit vorgegebener Zusammendrückstrecke zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 20 können ebenfalls Abstandsplatten 52 genutzt werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit vorgegebener oder einheitlicher Länge L herzustellen. Die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 beruht auf der gewünschten vorgegebenen oder einheitlichen Länge L für den Brennstoffzellenstapel 20, auf der Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und auf der Dicke der Komponenten, die die Endanordnungen 32, 34 umfassen. Die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 wird durch Subtraktion der vorgegebenen Strecke D von der drucklosen Länge 31 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 berechnet. Um die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 zu liefern, werden von der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des Brennstoffzellenstapels 20 die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und die Dicke der Endplatten 45, 58, der Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten, die die Endanordnungen 32, 34 umfassen, subtrahiert. Daraufhin werden die Abstandsplatten 52 so gewählt, dass die gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 allgemein gleich der geforderten Gesamtdicke ist. Daraufhin werden die gewählten Abstandsplatten 52 wie oben diskutiert zu dem Brennstoffzellenstapel 20 hinzugefügt. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt allgemein die gewünschte vorgegebene oder einheitliche Länge L, einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der allgemein um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist, und eine innere Druckbelastung, die dem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit hohem Wirkungsgrad entspricht.
Wenn hier ein Begriff mit dem Adverb „allgemein“ quantifiziert ist, soll dies selbstverständlich bedeuten, dass die Größe des beschriebenen Faktors innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs der gewünschten Größe liegt.

Claims

Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20), der umfasst: mehrere Brennstoffzellen (22), die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau (24) bilden, der ein gegenüberliegendes erstes Ende (26) und zweites Ende (28) sowie eine Länge (30) dazwischen besitzt, wobei das erste Ende (28) und das zweite Ende (28) den ebenen Hauptoberflächen des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) entsprechen; eine erste Endplatte (45) und eine zweite Endplatte (58), die an dem ersten Ende (26) bzw. an dem zweiten Ende (28) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) angeordnet sind, wobei eine Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) im wesentlichen parallel zu den ebenen Hauptoberflächen des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) ist und wobei die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) eine Umfangsseitenwand (64) besitzen, die im Wesentlichen parallel zur Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) ist; und mehrere Seitenplatten (36) mit einem gegenüberliegenden ersten Ende (72) und zweiten Ende (74), die an der Umfangsseitenwand (64) der ersten Endplatte (45) bzw. der zweiten Endplatte (58) angebracht sind, wobei die Seitenplatten (36) die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) in einer beabstandeten Beziehung halten, so dass wenigstens ein Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der-zweiten Endplatte (58) auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine Druckkraft ausübt, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) jeweils wenigstens eine Öffnung (78) besitzen, durch die ein mechanisches Befestigungselement (80) eingeführt ist, mit dem das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) an der erste Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist; dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Öffnung (78) an dem ersten Ende (72) und/oder an dem zweiten Ende (74) ein Schlitz ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) jeder Seitenplatte (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist, so dass die durch die erste Endplatte (45) und durch die zweite Endplatte (58) auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) ausgeübte Druckkraft eine vorgegebene Stärke besitzt.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) jeder wenigstens einen Seitenplatte (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist, so dass die Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) um eine vorgegebene Strecke zusammengedrückt ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei ein Paar Seitenplatten (36) an den gegenüberliegenden Seitenwänden des Umfangs (64) jeder der Endplatten (45, 58) angebracht sind.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei ein erstes mechanisches Befestigungselement (80), mit dem das erste Ende (72) jeder Seitenplatte (36) an der ersten Endplatte (45) angebracht ist, einen Gewindeabschnitt besitzt, der mit einer Gewindebohrung (70) in der ersten Endplatte (45) in Eingriff ist, und ein zweites mechanisches Befestigungselement (80), mit dem das zweite Ende (74) jeder Seitenplatte (36) an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist, einen Gewindeabschnitt besitzt, der mit einer Gewindebohrung (70) in der zweiten Endplatte (58) in Eingriff ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Öffnung (78) an dem ersten Ende (72) und/oder an dem zweiten Ende (74) jeder Seitenplatte (36) eine von mehreren Öffnungen (78) ist, die über das erste Ende (72) und/oder über das zweite Ende (74) jeder Seitenplatte (36) beabstandet sind.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20), der umfasst: mehrere Brennstoffzellen (22), die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau (24) bilden, der ein gegenüberliegendes erstes Ende (26) und zweites Ende (28) sowie eine Länge (30) dazwischen besitzt, wobei das erste Ende (28) und das zweite Ende (28) den ebenen Hauptoberflächen des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) entsprechen; eine erste Endplatte (45) und eine zweite Endplatte (58), die an dem ersten Ende (26) bzw. an dem zweiten Ende (28) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) angeordnet sind, wobei eine Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) im wesentlichen parallel zu den ebenen Hauptoberflächen des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) ist und wenigstens ein Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine Druckkraft ausübt; und mehrere Seitenplatten (36) mit einem gegenüberliegenden ersten Ende (72) und zweiten Ende (74), die an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht sind, wobei jede der mehreren Seitenplatten (36) einen Abschnitt des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zwischen der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) umschließt und ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau (24) schafft, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) jeweils wenigstens eine Öffnung (78) besitzen, durch die ein mechanisches Befestigungselement (80) eingeführt ist, mit dem das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) an der erste Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist; dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Öffnung (78) an dem ersten Ende (72) und/oder an dem zweiten Ende (74) ein Schlitz ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 7, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der wenigstens einen Seitenplatte (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht sind, wobei Abschnitte des ersten Endes (72) und des zweiten Endes (74) der wenigstens einen Seitenplatte (36) die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) in einer beabstandeten Beziehung halten, so dass die Abschnitte des ersten Endes (72) und des zweiten Endes (74) der wenigstens einen Seitenplatte (36) veranlassen, dass die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) die Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) ausüben.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20), der umfasst: mehrere Brennstoffzellen (22), die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau (24) bilden, der ein gegenüberliegendes erstes Ende (26) und zweites Ende (28) sowie eine Länge (30) dazwischen besitzt, wobei das erste Ende (28) und das zweite Ende (28) den ebenen Hauptoberflächen des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) entsprechen; eine erste Endplatte (45) und eine zweite Endplatte (58), die an dem ersten Ende (26) bzw. an dem zweiten Ende (28) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) angeordnet sind und auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine Druckkraft ausüben; und mehrere Seitenplatten (36) mit einem gegenüberliegenden ersten Ende (72) und zweiten Ende (74), die an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht sind, wobei die Seitenplatten (36) einen Abschnitt des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zwischen der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) umschließen und ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau (24) schaffen, wobei in wenigstens einer Seitenplatte (36) eine Öffnung (78) ausgebildet ist, die ermöglicht, dass ein an einer Anschlussplatte (56) ausgebildeter Anschluss (83) durch die wenigstens eine Seitenplatte (36) verläuft, wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) jeweils wenigstens eine Öffnung (78) besitzen, durch die ein mechanisches Befestigungselement (80) eingeführt ist, mit dem das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) an der erste Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist; dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Öffnung (78) an dem ersten Ende (72) und/oder an dem zweiten Ende (74) ein Schlitz ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei die Seitenplatten (36) aus Metall hergestellt sind.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei die Seitenplatten (36) eine Abschirmung vor elektromagnetischer Störung bei dem Brennstoffzellenzusammenbau (24) schaffen.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20), der umfasst: mehrere Brennstoffzellen (22), die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau (24) bilden, der ein gegenüberliegendes erstes Ende (26) und zweites Ende (28) sowie eine Länge (30) dazwischen besitzt; eine erste Endplatte (45) und eine zweite Endplatte (58), die an dem ersten Ende (26) bzw. an dem zweiten Ende (28) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) angeordnet sind und auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine Druckkraft ausüben; und mehrere Seitenplatten (36) mit einem gegenüberliegenden ersten Ende (72) und zweiten Ende (74), die an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht sind, wobei die Seitenplatten (36) einen Abschnitt des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zwischen der ersten Endplatte (45) und der zweite Endplatte (58) umschließen und ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau schaffen, wobei wenigstens eine Seitenplatte (36) eine Abschirmung vor elektromagnetischer Störung bei dem Brennstoffzellenzusammenbau (24) schafft und wobei die wenigstens eine Seitenplatte (36) elektrisch geerdet ist; wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) jeweils wenigstens eine Öffnung (78) besitzen, durch die ein mechanisches Befestigungselement (80) eingeführt ist, mit dem das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) an der erste Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) angebracht ist; dadurch gekennzeichnet , dass die wenigstens eine Öffnung (78) an dem ersten Ende (72) und/oder an dem zweiten Ende (74) ein Schlitz ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei der gesamte Brennstoffzellenzusammenbau (24) zwischen der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) von den mehreren Seitenplatten (36) umschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels (20), das die folgenden Schritte umfasst: Positionieren eines Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zwischen einer ersten Endplatte (45) und einer zweiten Endplatte (58), wobei ein erstes Ende (26) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zu der ersten Endplatte (45) benachbart ist und ein zweites Ende (28) des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zu der zweiten Endplatte (58) benachbart ist; Anwenden einer äußeren Druckkraft auf wenigstens eine der Endplatten (45, 58), so dass der Brennstoffzellenzusammenbau (24) durch wenigstens einen Abschnitt einer Hauptoberfläche der wenigstens einen der Endplatten (45, 58) zusammengedrückt wird; Anbringen mehrerer Seitenplatten (36) an einer Umfangsseitenwand der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58), wobei das erste Ende (72) und das zweite Ende (74) der Seitenplatten (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) mittels Befestigungselementen (80), die in in dem ersten Ende (72) und dem zweiten Ende (74) der Seitenplatten ausgebildete Schlitze (78) eingeführt werden, angebracht werden, so dass die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben und der Brennstoffzellenzusammenbau (24) zusammengedrückt bleibt, wenn die äußere Druckkraft entfernt wird; und Entfernen der äußeren Druckkraft von den Endplatten (45, 58).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Anwendens einer äußeren Druckkraft das Anwenden einer Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke umfasst, so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine Druckkraft mit der vorgegebenen Stärke ausgeübt wird; und der Schritt des Anbringens der Seitenplatten (36) an den Endplatten (45, 58) das Anbringen des erste Endes (72) und des zweiten Endes (74) der wenigstens einen Seitenplatte (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) umfasst, so dass die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben und die Druckkraft mit der vorgegebenen Stärke auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) aufrecht erhalten, wenn die Druckkraft entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Anwendens einer äußeren Druckkraft das Anwenden einer Druckkraft auf die Endplatten (45, 58) umfasst, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau (24) um eine vorgegebene Strecke in Richtung der äußeren Druckkraft zusammengedrückt wird; und der Schritt des Anbringens der Seitenplatten (36) an den Endplatten (45, 58) das Anbringen des ersten Endes (72) und des zweiten Endes (74) der Seitenplatten (36) an der ersten Endplatte (45) bzw. an der zweiten Endplatte (58) umfasst, so dass die erste Endplatte (45) und die zweite Endplatte (58) in einer fest beabstandeten Beziehung bleiben und der Brennstoffzellenzusammenbau (24) um die vorgegebene Strecke zusammengedrückt bleibt, wenn die äußere Druckkraft entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Anbringens der Seitenplatten (36) an den Endplatten (45, 58) das Anbringen eines Paars von Seitenplatten (36) an gegenüberliegenden Umfangsseitenwänden (64) jeder der Endplatten (45, 58) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Seitenplatten (36) eine Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus (24) zwischen der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) umschließen, so dass die Seitenplatten (36) ein Schutzgehäuse für den Brennstoffzellenzusammenbau (24) schaffen.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) ein Abschnitt einer ebenen Hauptoberfläche ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) eine über die Hauptoberfläche verteilte Kontaktgrenzfläche ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei jede der Hauptoberflächen der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) im Wesentlichen rechteckig ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) ein Abschnitt einer ebenen Hauptoberfläche ist.
Elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) nach Anspruch 9, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der ersten Endplatte (45) und der zweiten Endplatte (58) eine über die Hauptoberfläche verteilte Kontaktgrenzfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der wenigstens einen der Endplatten (45, 58) ein Abschnitt einer ebenen Hauptoberfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Abschnitt einer Hauptoberfläche der wenigstens einen der Endplatten (45, 58) eine über die Hauptoberfläche verteilte Kontaktgrenzfläche ist.