DE2303137A1

DE2303137A1 - Vorrichtung zur abdichtung eines aus einem plattenstapel gebildeten blockes, beispielsweise einer brennstoffzelle

Info

Publication number: DE2303137A1
Application number: DE2303137A
Authority: DE
Inventors: Yves Breelle; Alain Grehier; Marcel Paty
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1973-08-16
Also published as: FR2169758A1; NL171211C; DE2303137C2; GB1381581A; CA974578A; NL171211B; IT978642B; FR2169758B1; BE793807A; NL7301294A; US3890076A

Description

INSTITUT FRANCAIS SU PETROLE DES CARBURANTS EI LOBRIFIAN!DS 1 et 4 Av. de Bois-Preau Rueil-Malmaison, Frankreich

Vorrichtung zur Abdichtung eines aus einem Plattenstapel gebildeten Blockes, beispielsweise einer Brennstoffzelle.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung die benutzbar ist, insbesondere um die Abdichtung einer Brennstoffzelle sicherzustellen, wobei die Fluidein- und Auslässe dieser Zelle vorgesehen werden.

Obwohl insbesondere die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme auf die Herstellung von Brennstoffzellen in Betracht gezogen ist, ist dem Fachmann klar, daß die Erfindung immer dann anwendbar ist, wenn es darum geht, die Abdichtung eines aus einem Stapel von unter Abstand angeordneten Platten gebildeten Blockes herbeizuführen, indem an bestimmten Orten Durchlaßöffnungen zwischen mehreren Platten auf wenigstens einer der Seiten oder Abschnitte des Blockes vorgesehen werden.

Eine Brennstoffzelle wird gebildet durch einen Stapel von die Elektroden der Zelle bildenden Platten geringer Dicke, wobei dieme Platten unter Abstand voneinander durch Separatorelemente

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gehalten werden, die es ermöglichen, daß zwischen awei benachbarten Elektroden Fluide strömen, welche gegebenenfalls durch einen Elektrolyten, ein oxydierendes Gas (beispielsweise Luft oder Sauerstoff) oder ein reduzierendes Gas C wie beispielsweise Wasserstoff) gebildet werden.

Biese Elektroden sind elektrisch miteinander derart verbunden, daß eine Reihen- und/oder Parallelschaltung sich ergibt, wobei die Verbindung beispielsweise mittels metallischer Anschlußfahnen oder Polbrücken realisiert ist.

Es soll nun eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, die Dichtheit des durch den Stapel aus Elektroden gebildeten Blockes herzustellen, indem die Fluidein- und Austritte der Zelle zwischen diesen Elektroden belassen werden.

Erreicht wird dies, indem auf jedem der Abschnitte oder auf jeder der Seite des Blockes ein isolierendes Hare in den Ewischenelektrodenräumen über eine begrenzte Höhe ausgehend vom Band der Elektroden vergossen wird, nachdem an den für die Durchlässe der verschiedenen die Brennstoffselle speisenden Fluide gewählten Orten in die Zwiechenelektrodenräume eindringende Trennkeile vorgesehen sind, wobei die Länge dieser Keile wenigstens gleich der Gießhöhe und ihre Breite wenigstens gleich der Durchlaßbreite ist, die für jedes zwischen diesen Elektroden fließende Fluid freigelassen werden soll.

Bas verwendete Hare kann vom Typ "vergießbares Bars¹¹ beispielsweise ein Epoxyharz, sein, wobei die Wahl des für das Vergießen verwendeten Harees auf keinen Fall als begreneend anzusehen ist.

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Durch die erfindungsgemäfie Maßnahme wird vor allen Dingen eine rigorose Positionierung dieser Treruokeile sötte ein einfaches Herausführen dieser Keile ohne Gefahr einer Zerstörung der Elektroden sichergestellt, sobald das für die Abdichtung bestimmte Vergießen durchgeführt wurde.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Trennkeile aus einem Material der oben angegebenen Art hergestellt und haben dae Haften verhindernde Eigenschaften gegenüber dem zum Vergießen verwendeten Material. Man wählt beispielsweise Teflon.

Stellt man die Trennkeile aus einem solchen Material her, so wird das Herausziehen der Trennkeile nach dem Vergießen des Harzes erleichtert.

Es ist ebenfalls jedoch möglich, die Trennkeile aus irgendeinem anderen Material herzustellen, vorausgesetzt, daß diese vor dem Vergießen des Harzes mit einem Film aus einem das Entformen erleichternden Material abgedeckt oder überzogen werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beillegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

flg. 1 eine Gesamtansicht einer Brennstoffzelle während der Herstellung 1st;

Fig. 1 A ist eine Teilansicht In größerer Darstellung dieser Brennstoffzelle entsprechend dem Pfeil A in Flg. 1;

Fig. 1 B zeigt einen Trennkeil;

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Fig. 2 seigt ein Beispiel für den Anschluß der Elektroden;

Fig. 3 eine Ausführung, wie man das Verschweißen der Verbindungselemente gegen die Sammelfahnen der Elektroden vornehmen kann;

Fig. 4 zeigt im Schnitt längs einer Vertikalebene

(Ebene A-A der Fig. 5) den aus den Komponententeilen der Brennstoffeelle gebildeten Block während der ersten Phase des ersten Vergießens des Harzes;

Fig. 5 zeigt einen solchen Block in der Draufsicht, wobei die Brennstoffzelle längs einer horizontalen Ebene geschnitten ist;

Fig. 6 zeigt einen der Keile, die für das erste Vergießen des Harzes verwendet werden können;

Fig. 7 erläutert das Herausziehen der Trennkeile

aus dem durch die Brennstoffzelle gebildeten Block nach dem ersten Vergießen des Harzes; und

Fig. 8 zeigt die erste Phase des endgültigen Vergießens

Fach der beispielsweise in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden der Brennstoffzelle Platten von geringer Dicke, die aus drei einander überlagerten Schichten gebildet sind, nämlich: einer Schicht aus gesintertem Metall wie Nickel oder Streckmetall, welches mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen soll; einer Mittelschicht aus pulverisiertem Kohlenstoff mit einem

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Oxydations- oder Reduktionskatalysator;

einer mikroporösen Schicht, die das Gas diffundieren läßt, jedoch eine Sperre für den Elektrolyten auf der den oxydierenden oder reduzierenden Gas ausgesetzten Seite der Elektrode bildet.

Der elektrische Strom wird über Sammelfahnen (oreilles de collecte) gesammelt, die fest mit der Schicht aus gesintertem Metall oder Streckmetall jeder Elektrode verbunden sind, wobei diese Anschluöfahnen gegebenenfalls auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet sind.

Um die Montage der Zelle erleichtern zu können, verwendet man einen Montageblock, bestehend aus einer Grundplatte 1 zwei Plankenteilen la und Ib und einem Deckel Ic, die hierfür ausgelegt sind. Die Grundplatte 1 und der Deckel umfassen drei Sacklöcher ι die Löcher 2 (I¹Ig. IA) auf der Grundplatte 1 und die Löcher 2a im Deckel. Diese Löcher 2 und 2a sind einander gegenüber angeordnet, wenn der Deckel Ic auf den Flanken la und Ib befestigt 1st. Sie ermöglichen das Einfädeln der Stangen 3 und 3a (Fig. 1 und IA). Die Flankentelle la und Ib umfassen Hüten mit T-Querschnitt 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, welche Trennkeile 4, 5, 6 aufnehmen. Diese Trennkeile sind dazu bestimmt, beim Vergießen des Harzes Durchlässe für die verschiedenen Fluide freizuhalten: mit Sauerstoff angereichertes Gas ( wie Luft), Wasserstoff, Elektrolyt (beispielsweise Kaliumoxyd). Vie in Fig. IB dargestellt, bestehen diese Trennkelle aus einem Körper 12 von T- oder Sohwalbenschwanzgeetalt mit einer Dicke h, die als Funktion der Zuordnung dieses Kelle rechnet

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und kalibriert ist ( der Keil sieht den Durchlaß für Luft oder Wasserstoff oder Kali vor). Die Kelle besitsen weiterhin einen Zahn 13 in Verlängerung dea Körpers 12 von der Gestalt eines abgestumpften 7 mit einer Dicke e entsprechend dem Abstand der Elektroden und einer Länge 1, die wenigstens gleich der Gießeindringtiefe in den von der Zelle gebildeten Block 1st. Jeder Keil umfaßt eine Bohrung 14, die so ausgelegt 1st, daß sie eine Versteifung 15 aufnimmt, die den Stapel von Trennkeilen beim Entformen der Brennstoffseile zurückhält.

Die Elektroden werden unter Abstand voneinander durch Trenn» und Isolierelemente gehalten, wobei diese Elemente gebildet werden können aus einer Folie Isolierenden Materials oder auch wie nach dem dargestellten Beispiel aus Platten rechteokförmlger Gestalt, welche aus ausgehöhlten Rauten _: aus einem isolierenden Material gebildet sind und Ausschnitte am Ort des Fluldelntritts und Austritts umfassen. Die Dicke dieser Trenneinrichtungen ist im wesentlichen größer oder gleich der Dicke β der Zähne 13 der Trennkeile 4, 5 und 6.

Der aus Grundplatte 1 und den Flankenteilen la und Ib bestehende Block wird wie dargestellt ohne den Deckel Ic angeordnet. Dann werden die Stangen 3 und 3a in die Löcher 2 positioniert. Auf die Stangen 3, 3a fädelt man Beilagscheiben 16, 16a sowie Anschlußf ahnen 17, die auf den Beilagscheiben 16 aufruhen. Eine untere Platte 7 ordnet man _r*&,die als positiver Pol für die Zelle dient und die auf den Stangen 3a vermittele der Sammelansateplatten 7a, die nach oben gezogen sind,_Äieitet und die in Anschlag auf die Beilagscheiben 16a kommen. Man kann dann mit dem Stapelnder die eigentliche Zelle bildenden Elemente beginnen.

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Ein Trennelement 9 mit sweckm&Sigen Ausschnitten 1st auf der Platte 7 positioniert.

Zwei Trennkeile sind In den Nuten 4bbzw. 4a positioniert. Eine Wasserstoffelektrode 10, vom Typ H, wird angebracht, die Stromsammelansatsplatten 10a für diese Elektrode ruhen auf den Brücken 17, die, da sie durch die Stangen 3 gehalten sind, die Elektrode 10 genau positionieren. Tier elektrische Verbindungezwischenstücke 18 (Fig. 1) werden durch Verschieben auf den Stangen 3 angebracht, diese Zwischenstücke ruhen auf den Ansatzschienen 10a der Elektrode 10.

Ein neuer Separator 9 wird auf der Elektrode 10 angeordnet, zwei Trennkeile 5 werden in die Nuten 5a und 5b gebracht. Eine Luftelektrode 11 ( oder Elektrode vom Typ A) deckt den vorher positionierten Separator ab; diese Elektrode ist vermittels dieser Saramelansätsse 11a positioniert, welche auf den Stangen 3a gleiten und auf den Sammelaneäteen 7a der unteren Platte 7 ruhen, die als positiver Pol für die Zelle dient.

Ein Separator 9a mit ad&quaten Ausschnitten 1st auf der Elektrode 11 angebracht und positioniert. Vier Keile 6 werden In die Nuten 6a und 6b (zwei auf jedem der Plankenteile la und Ib) gesetzt. Eine neue Elektrode 11 vom Typ A wird angeordnet ; Ihre Sammelanaätze 11a ruhen auf den Sammelaneätzen der vorhergehenden Elektrode. Dann werden vier Zwischenstücke 18 auf die Stangen 3a aufgeschoben; diese Zwischenstücke ruhen auf den Semmelansätzen 11a der letssten positionierten Elektrode 11 vom Sjp A.

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Ein neuer Separator 9 wird eingebracht und «wet Trennkeile 5 werden In die Nuten 5a bzw. 5b gesteckt; eine neue Elektrode 10 vom Typ H deckt den Separator 9 ab und wird durch die Sammelansätze 10a positioniert, welche durch die Stangen 3 gehalten sind und auf dem vorher positionierten Zwischenstück 18 aufruhen .

Ein anderer Separator 9 wird auf die vorher angebrachte Elektrode gesetzt und auf dieser positioniert und zwei Trennkeile 4 werden in die Hüten 4a bzw. 4b gesteckt. Eine Elektrode 10 vom Typ H deckt diesen Separator ab und wird mittels ihrer Sammelansätze 10a positioniert, die in den Stangen 3 gleiten und auf den Sammelaneätzen 10a der vorher positionierten Elektrode 10 ruhen. Yier Verbindungszwischenstücke 18 gleiten auf den Stangen 3 und ruhen auf den vorher positionierten Sammelansätzen 10a auf.

Die Anordnung der Elektroden nach diesem Ausführungsbeispiel (hierauf ist die Erfindung nicht begrenzt ) wird klarer, wenn man sich die schematische Barstellung der Flg. 2 vor Augen führt. Man sieht , daß der aus diesen Elektroden bestehende Stapel nacheinander In jedem Element umfaßt: eine Elektrode 10 vom Typ H, zwei Elektroden 11 vom Typ A, zwei Elektroden 10 vom Typ H, zwei Elektroden 11 vom Typ A und eine Elektrode 10 vom Typ H.

Bezüglich Einzelheiten wird auf die Flg. IA Bezug genommen. BIe letzte Elektrode 10 vom Typ H des ersten Elements wird durch die die Sammelansätze 10a durchsetzenden Stangen gehalten und positioniert; die folgende Elektrode 10 vom Typ H gehört zum zweiten Element; deren Sammelansätze sind be-

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züglich denen der vorhergehenden versetzt; sie wird durch Ihre von den Stangen 3a durchsetzten Sammelansätze 10a gehalten und positioniert. Das gleiche gilt für die relative Anordnung der loteten Elektrode 11 vom lyp A des ersten Elements und für die erste Elektrode 10 vom Typ A des zweiten Elements.

Es ist möglich, Versteifungen 15 in die Löcher 14 der verschiedenen Trennkeile einzusetzen, wenn ein Element der Zelle fertig gestapelt ist. Man kann auch die versteifungen 15 einfädeln, wenn der Stapel der Anordnung aus den die Zelle bildenden Elementenfertig ist. Die Zelle wird In ihrem oberen Teil durch eine Platte 8, die als negativer Pol für die Zelle dient, abgeschlossen, diese Platt· 1st durch die Stangen 3 mittels Samraelansätzen8a positioniert.

Der Deckel Ic deckt die Elemente der Zelle ab und drückt die Anordnung leicht zusammen, um die reelb Kote des Stapels zu geben. Die Stangen 3 und 3a durchsetzen den Deckel an den Löchern 2a.

Der elektrische Anschluß wird wie folgt vorgenommens

Die Elektroden gleicher Polarität eines Elementes werden miteinander verbunden, was zu einer Parallelschaltung führt. Wenn man Im tihrigen von einem Element der Brennstoffzelle ssma folgenden Element geht, so ist der negative Pol des ersten Elementes mit dem posltlvjbn Pol des zweiten Elementes über ein Zwischenstück, wie nach PIg. 2 dargestellt, verbunden. Man erhält so eine Brennstoffzelle mit Reihen-Parallelschaltungen. Fach dem beschriebenen Ausführungbelsplel ist der positive Pol des ersten Elementes gegen den negativen Pol des zweiten Elementes in folgender Weise

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isoliert: auf dem letsfen Sammelansats 11a der letzten Elektrode 11 vom Typ A des ersten Elementes, wetn Man die Elektroden und Elemente in der Reihenfolge ihrer Stapelung betrachtet, ist eine Brücke 17 angeordnet und durch die Stangen 3a gehalten. Auf dieser Brücke 17 sind zwei Beilagecheiben 16a auf die Stangen 3a gefädelt und gesetzt. Eine neue Brücke 17 wird auf die Stangen 3a eingefädelt und ruht auf den Beilagscheiben 16a. Auf dieser Brücke 17 wird ein Sammelansatz 10a einer Elektrode 10 vom Typ H positioniert. Die Verbindung wird durch Punktschweißen der Brücken 17 mit den verschiedenen Sammelansätzen und Zwischensilo xen 18, wie in S¹Ig. 3 angegeben» versteift. Dieser Torgang wird vorgenommen, wenn der Deckel Ic auf dem Hontageblock positioniert ist.

Ist der Vorgang beendet, so sieht man lediglich die Stangen 3 und 3a heraus. Die Beilagsoheiben 16 und 16a werden freigegeben und fallen frei. Der Block ist dann bereit für die Gießvorgänge.

Die Fig. 4 und 5 erläutern eine ®*ste phase beim ersten Vergießen des Harzes um den hergestellten Stapel; dieses erste Vergießen erfolgt in zwei Stufen. In der ersten positioniert man die Brennstoffzelle vertikal; sie ruht also auf den Flankenteilen la und Ib (fig. 4). Eine Hontageabdockung 19 wird gegen das Flankenteil la mittels Schrauben 20 geschraubt Me fc Bohrungen 21 (Fig· I) eingeschraubt werden. Ein Harzbehälter 22 wird auf jeder Seite des Stapels auf der Abdeckung 19 angeordnet und mit dieser fest verbunden. Dieser Behälter umfaßt zwei Ausnehmungen 23 (Flg. 5)

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welche einenKell 24 aufnehmen und positionieren, nachdem das Vergießen vorgenommen ist. Ein vorbestimmtes Harevolumen 25 wird sur Hälfte in jedes Gefäß 22 geschüttet. Dieses Bars 25 dringt in die Brennstoffzelle bis auf eine bestimmte Hüne ein. Glaubt man, daß die EindrlnghBhe des Harzes 25 an ihrem maximalen Punkt angekommen 1st und befindet sich das Harz 25 noch im flüssigen O₁ der halbteigigen Zustand, so steckt man den Kell 24 (Fig. 4, 5 und 6) in die Ausnehmungen 23. Ist das Hare 25 fest geworden, so nimmt man die Abdeckungen 19 sowie den Behälter 22 ab und gewinnt den Keil 24 zurück. Der gleiche Vorgang wird dann auf dem gegenüberliegenden flankenteil vorgenommen.

Der KeIx 24 1st ron paralle3a?lpedf6rmlger Gestalt (Flg. 6); er umfaßt zwei Zellen 26. Der zentrale Teil 27 ermöglicht es, den Durchlaß für die beiden Phasen des abschließenden im folgenden beschriebenen Vergleßens zu belassen. Zweck dieses Keils ist es, genau die Außenabmessungen oder -koten der Brennstoffzelle festzulegen.

Nachdem der erste Gießvorgang abgeschlossen ist, werden der Deckel Ic und die Grundplatte 1 des Hontageblocks abgenommen (Flg. 1). Man muß dann die Flankentelle la und Ib, welche die Trennkeile 5t 4t β umfassen herausnehmen, um dies zu erreichen, verwendet man Extraktoren (Fig. 1 und 7). Die Extraktoren 28, die in Lagerungen 28a gehalten sind, sind mit an einer Achse 30 festsitzenden Schrauben verbunden. Die Achse 30 1st fest in Translation mit dem Extractor 28 über beliebige Einrichtungen verbunden und kann

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sich bezüglich dessen frei drehen. Wenn man gleichmäßig und alle auf einmal schraubt, wobei die Schraubet)29 in den Gewindelöchern 31 positioniert sind, treten die Extraktoren 28 aus ihren Lagerungen aus und verschieben die Brennstoffselle vermittels des Harsblockes 25. Die Trennkeile 4, 5, 6 kommen so aus ihren Lagerungen 52 im Harz frei.

fig. 8 zeigt die erste Phase beim endgültigen Vergießen. Die Brennstoffzelle 1st auf der Seite der Sammelansatzschienen auf eine Grundplatte 33 gesetzt und auf dieser zentriert. Zwei Behälter 34 sind zu beiden Selten der Brennstoffselle angeordnet und fest mit der Grundplatte 33 über Schrauben verbunden. Jeder Behälter umfaßt zwei nicht dargestellte Ausnehmungen, die den Keil 35 aufnehmen. Dieser Keil 35 besteht aus einem einfachen rechtwinkligen Parallelepiped. Die auf der Grundplatte 33 vermittels Füßen 26a aufruhende Brennstoffseile, wobei die Füße anläßlich des ersten Gießvorgangs (Fig. 5 ) durch die Zellen 26 des Keils 24 gebildet wurden kann Jatzt das Hare 25 aufnehmen. Sin bestimmtes Volumen dieses Harzes wird zur Hälfte in die beiden Behälter 34 geschüttet, tritt durch den zwischen den Füßen 26a auf der gleichen Seite der Zelle verbleibenden Schlitz und dringt in die Brennstoffzelle auf einer berechneten Höhe ein· Nimmt man an, daß das Eindringen maximale Höhe erreicht hat, wobei das Harz 25 sich noch im flüssigen oder halb-teigigen Zustand befindet, so positioniert man den Keil 35. Nachdem das Harz 25 fest geworden 1st, nimmt man den gleichen Vorgang auf der letzten Seite der Brennstoffzelle vor.

Ist das Vergießen auf den vier Abschnitten oder Seiten des Stapele vorgenommen, so liegt die Brennstoffzelle in Form eines pmrallelepipedförmigen Blocke vor.

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Claims

Äff.: 1228 - 13 - PAXBRAHSiaOCHE

1. Vorrlohtung sur Abdichtung eines Blockes, der aus einem stapel aus unter Abstand eueinander angeordneten Platten gebildet 1st, durch Vergießen eines sich verfestigenden Produktes, wobei während des Vergießens an bestimmten Orten Durchgangsttffnungen «wischen benachbarten Platten auf wenigstens einer der Seiten dee Blocks vorgesehen sind, gekennseichnet in Kombination durch e'nen Sate von Trennkeilen, die dasu bestimmt sind, sw!sehen benachbarte Platten bei der Montage des Stapels eingeführt su werden, wobei der Querschnitt dieser Kelle demjenigen des beim Gießen eu belassenden Durchlassee entspricht, wobei eine Montageanordnung für diesen Stapel besteht aus: einer Grundplatte, an die ewei seitliehe flankenteile befestlgbar sind, von denen wenigstens eines Einrichtungen sum Positionieren dieser Trennkeile aufweist; und Einrichtungen but Yornahme des Vergiefiens des verfestigbaren Produktes auf der In Kontakt mit diesem Flankenteil befindlichen Seite des Stapels, wenn die Vorrichtung auf diesen Stapel gesetzt 1st; und aus Einrichtungen sum HerausKieben der Trennkeile aus dem Block nach dem Gießen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, dad diese Extraktioneeinrichtungen aus Vorrichtungen bestehen, die die Blockanordnung surückdrüoken. Indem sie sieh

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gegen diesen Flankenteil abstützen und Einrichtungen sam Positionieren dieser Trennkeile in Kombination mit Einrichtungen zum Halten dieser Keile auf diesem Flankenteil aufweisen.

3. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen zum Positionieren aus Hüten bestehen, in welche diese Trennkeile eingreifen.

4-. Torrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß diese Nuten und diese Trennkeile komplementäre Abschnitte von Schwalbenschvanzgestalt aufweisen.

5. Torrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet* daß diese Halteeinrichtungen Stangen aufweisen, welche diese Trennkeile durchsetzen, indem sie in diese Grundplatte des Montageblocks eindringen.

6. Torrichtung nach Anspruch l_f zur Herstellung einer Brennstoffzelle, bei der die Platten des Stapels aus Elektroden der Brennstoffeelle und aus Trennelementen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, da6 die Grundplatte so ausgebildet ist, daß sie lösbare Positionierungsstangen zum Einsetzen elektrischer Zwlschenelektroden-TerbindungsbrUcken auf wenigstens einer Seitenfläche der Torrichtung zwischen diesen seitlichen Flankenteilen aufnehmen.

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