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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere Kompressionsbeibehaltungssysteme für Brennstoffzellensysteme.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einer Elektrolytmembran dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff auf, die normalerweise durch poröse Materialien verteilt werden, die als Gasdiffusionsmedien bekannt sind. Das Wasserstoffgas wird in der Anode katalytisch aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine elektrische Last geführt, wie ein Fahrzeug, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Einzelne Brennstoffzellen werden allgemein in Reihe geschaltet oder aufeinander gestapelt, um eine Einrichtung auszubilden, die als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet wird. Der Brennstoffzellenstapel wird in Kompression belastet, um einen geringen die Schnittstelle bzw. Zwischenfläche betreffenden elektrischen Kontaktwiderstand zwischen Brennstoffzellenplatten, den Gasdiffusionsmedien und den Katalysatorelektroden aufrechtzuerhalten. Der die Zwischenfläche betreffende Kontaktwiderstand in dem Brennstoffzellenstapel ist direkt der Kompressionsbelastung zugeordnet. Typischerweise liegen Kompressionslasten an den Brennstoffzellenplatten im Bereich zwischen etwa 3,5 bis etwa 28,2 kg/cm2 (etwa 50 bis etwa 400 psi) und werden durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem gesteuert.
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Kompressionsbeibehaltungssysteme sind typischerweise auf eine Art und Weise ausgelegt, die effektiv ist, um Belastungen zu kompensieren, die durch ein Anschwellen der Membran sowie durch eine Entspannung der Kompressionsbelastung in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden. Derartige Systeme dienen dazu, eine Überkompression der Diffusionsmedien in dem Brennstoffzellenstapel zu minimieren wie auch eine Stapelkompression und einen Kontaktdruck zwischen bipolaren Platten, den Gas-DM und den Katalysatorschichten aufrechtzuerhalten. In der
US 5 484 666 A ist offenbart, dass herkömmliche Kompressionsbeibehaltungssysteme aus Zugstangen bestehen, die durch und zwischen Endplattenanordnungen verlaufen und mit Befestigungsmuttern gesichert sind. Federn, die an die Zugstangen geschraubt und zwischen den Befestigungsmuttern und den Endplatten angeordnet waren, sind dazu verwendet worden, eine nachgiebige Kompressionskraft auf Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung auszuüben.
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Die
US 4 430 390 A zeigt ein Kompressionsbeibehaltungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Kompressionsbeibehaltungssystem, das eine Minimierung der Federkonstante in Bezug auf herkömmliche Systeme ermöglicht, indem der Vorteil der verfügbaren Fläche entlang der Seiten des Brennstoffzellenstapels genutzt wird. Das Kompressionsbeibehaltungssystem soll auch als eine Ummantelung gegen elektromagnetische Störbeeinflussung (EMI) sowie als eine Umwelt- bzw. Umgebungsummantelung dienen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Kompressionsbeibehaltungssystem entdeckt worden, das eine Minimierung der Federkonstante ermöglicht und auch als eine EMI-Ummantelung sowie als eine Umweltummantelung dienen kann.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Kompressionsbeibehaltungssystem eine erste Endeinheit und eine zweite Endeinheit, die derart ausgestaltet sind, um dazwischen einen Brennstoffzellenstapel zu halten. Eine Feder ist derart ausgestaltet, um eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben. Das Kompressionsbeibehaltungssystem umfasst eine erste Federplatte und eine zweite Federplatte, zwischen denen die Feder angeordnet ist. Die erste Federplatte besitzt eine darin geformte Durchbrechung. Zumindest eine Tafel ist mit der ersten Federplatte und der ersten Endeinheit gekoppelt. Eine Federstrebe ist durch die Durchbrechung der ersten Federplatte angeordnet und mit der zweiten Federplatte und der zweiten Endeinheit gekoppelt.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem das Kompressionsbeibehaltungssystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von dazwischen angeordneten Brennstoffzellen aufweist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellensystems die Schritte, dass: der Brennstoffzellenstapel mit der Mehrzahl von Brennstoffzellen bereitgestellt wird; das Kompressionsbeibehaltungssystem bereitgestellt wird; der Brennstoffzellenstapel zwischen der ersten Endeinheit und der zweiten Endeinheit des Kompressionsbeibehaltungssystems angeordnet wird; die Federstrebe des Kompressionsbeibehaltungssystems angebracht wird; eine Zugkraft auf die Federstrebe ausgeübt wird; die Federstrebe mit der zweiten Endeinheit gekoppelt wird; und die Zugkraft entfernt wird. Hierdurch wird eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt, indem die erste Endeinheit durch die Feder in Richtung der zweiten Endeinheit getrieben wird.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels (es sind nur zwei Zellen gezeigt) zeigt, der im Stand der Technik bekannt ist;
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2 ein Frontaufriss eines Brennstoffzellensystems mit dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel ist, wobei der Brennstoffzellenstapel mit einem Kompressionsbeibehaltungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung zusammengebaut ist;
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3 eine perspektivische Ansicht des in 2 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist, das ohne den Brennstoffzellenstapel gezeigt ist;
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4 ein bruchstückhafter Frontaufriss einer Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist;
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5 ein bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist, der eine erste und zweite Tafel zeigt, die an einem Federgehäuse angebracht sind;
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6 ein bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist, der ein Umlegen bzw. Falten der ersten Tafel um eine erste Federplatte und eine Befestigung an sich selbst zeigt;
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7 ein bruchstückhafter Frontaufriss der Seitenfeder des in den 2 und 3 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist, das ein Hängemerkmal zeigt, das der ersten Federplatte hinzugefügt ist und mit einem in einer der Tafeln gefundenen Loch zusammenwirkt;
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8 eine schematische perspektivische Ansicht des Kompressionsbeibehaltungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, die eine erste Ummantelung zeigt, die mit einer zweiten Ummantelung zusammenwirkt;
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9 eine vergrößerte bruchstückhafte schematische Ansicht des in 8 gezeigten Kompressionsbeibehaltungssystems ist, die eine Dichtung zwischen der ersten Ummantelung und der zweiten Ummantelung zeigt;
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10 eine perspektivische Ansicht eines Kompressionswerkzeugs zum Zusammenbauen des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
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11 eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 10 gezeigten Kompressionswerkzeugs ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung bzw. den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen auch gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und sind somit weder notwendig noch kritisch.
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1 zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende bipolare Platte 8 getrennt sind. Der in 1 gezeigte, illustrative Brennstoffzellenstapel 2 besitzt zwei Zellen, obwohl angemerkt sei, dass ein Brennstoffzellenstapel 2 in der Praxis viel mehr Brennstoffzellen aufweisen kann. Dem Fachmann sei ferner angemerkt, dass gemäß der vorliegenden Offenbarung andere Brennstoffzellenkonstruktionen und -typen verwendet werden können, wie Metallhydrid-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen sowie Alkali-Brennstoffzellen.
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Die MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zwischen zwei Endplatten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 aneinander gestapelt. Das Endkontaktelement 14, beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 8 sowie das Endkontaktelement 16 enthalten eine Mehrzahl von Strömungspfadnuten bzw. -kanälen 18, 20, 22, 24 zur Verteilung von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen, wie beispielsweise H2 und O2 an die MEAs 4, 6. Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
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Diffusionsmedien (DM) 34, 36, 38, 40 sind typischerweise durch ein gaspermeables leitendes Material gebildet, wie beispielsweise Kohlenstoff/Graphit-Diffusionspapier. Die DM 34, 36, 38, 40 werden gegen die Elektrodenseiten der MEAs 4, 6 gepresst. Die Endkontaktelemente 14, 16 werden gegen die DM 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 gegen das DM 36 an einer Anodenseite der MEA 4, die derart ausgestaltet ist, um einen Wasserstoff führenden Reaktanden aufzunehmen, und gegen das DM 38 auf einer Kathodenseite der MEA gepresst wird, die derart ausgestaltet ist, um einen Sauerstoff führenden Reaktanden aufzunehmen. Der Sauerstoff führende Reaktand wird an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Lieferleitung 42 geliefert. Der Wasserstoff führende Reaktand wird an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 48 durch eine geeignete Lieferleitung 44 geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als ein Sauerstoff führender Reaktand und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Methanolreformer, einem Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden.
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Es sind auch Austragsleitungen (nicht gezeigt) für sowohl die Anoden- als auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 50, 52, 54 sind zur Lieferung eines Kühlmittels an die bipolare Platte 8 und die Endplatten 14, 16 vorgesehen. Es sind auch geeignete Leitungen (nicht gezeigt) zum Austrag von Kühlmittel von der bipolare Platte 8 und den Endplatten 14, 16 vorgesehen.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 weist den Brennstoffzellenstapel 2 auf, der eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen 202 besitzt, die zwischen einer ersten Endeinheit 204 und einer zweiten Endeinheit 206 angeordnet sind. Eine Kompressionskraft wird durch ein Kompressionsbeibehaltungssystem 208 auf den Brennstoffzellenstapel 202 ausgeübt.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist zumindest eine der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 eine Endplatte. Bei einer besonders illustrativen Ausführungsform beherbergen die erste und zweite Endeinheit 204, 206 zumindest ein Brennstoffzellen-Subsystem 207 oder eine verwandte Vorrichtung, die für die Vorkonditionierung und den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 dient. Als nicht beschränkende Beispiele können Brennstoffzellen-Subsysteme 207 und verwandte Vorrichtungen, die in der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 beherbergt sind, Fluiddurchgänge, wie Wasserstoff-Brennstoff- und Oxidationsmittel-(O2/Luft)-Durchgänge, Kühlmittelpumpen, Umwälzpumpen, Ablaufventile, Isolierung, Gebläse, Kompressoren, Ventile, elektrische Verbindungen, Reformer, Befeuchter, Wasserdampfübertragungseinheiten, Wärmetauscher und dergleichen oder verwandte Instrumentierung umfassen. Die Integration des Brennstoffzellen-Subsystems 207 und verwandter Vorrichtungen in die Endeinheiten 204, 206 trägt zu schnelleren Kaltstarts bei, da die Systeme aufgrund der Nähe zu dem Brennstoffzellenstapel 2 schneller erwärmt werden. Ferner hat die Integration schnellere Neustarts zur Folge, da weniger oder keine Verrohrung außerhalb des Brennstoffzellensystems 200 vorhanden ist und eine Möglichkeit zum Verlust von Wärmeenergie minimiert ist. Die Integration des Brennstoffzellen-Subsystems 207 und verwandter Vorrichtungen in die Endeinheiten 204, 206 beseitigt auch den Bedarf nach einem externen Gehäuse und Leitungen, wodurch die gesamte thermische Masse des Brennstoffzellensystems 200 minimiert wird.
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Die erste und zweite Endeinheit 204, 206 können geeignet aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoff oder Kunststoffverbund- bzw. compositmaterialien geformt sein. Das Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterial kann ferner einen oder mehrere verstärkende Füllstoffe aufweisen. Geeignete Kunststoff- oder Kunststoffverbundmaterialien schwellen weder signifikant an, wenn sie Wasser ausgesetzt werden, noch verschlechtern sie sich signifikant bei Kontakt zu Temperaturen, die einem typischen Betrieb von Brennstoffzellenstapeln zugeordnet sind. Es sei auch angemerkt, dass geeignete Kunststoffmaterialien keine Materialien enthalten, die aus dem Material und in den Brennstoffzellenstapel 2 signifikant ausgelaugt werden oder in diesen wandern. Es sei ferner angemerkt, dass die Endeinheiten 204, 206 den Brennstoffzellenstapel 2 und integrierte Subsysteme isolieren können.
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Nun Bezug nehmend auf 4 umfasst das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 gemäß der vorliegenden Offenbarung eine erste Tafel 210 und eine zweite Tafel 212. Die erste Endeinheit 204 liegt an den Tafeln 210, 212 an. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 umfasst ferner eine erste Federplatte 214 und eine zweite Federplatte 216. Zwischen der ersten Federplatte 214 und der zweiten Federplatte 216 ist eine Feder 218 angeordnet. Die erste Federplatte 214 ist mit dem Paar von Tafeln 210, 212 gekoppelt und besitzt eine darin geformte Durchbrechung 220. Die zweite Federplatte 216 ist mit einer Federstrebe 222 gekoppelt. Die Federstrebe 222 ist durch die Durchbrechung 220 in der ersten Federplatte 214 angeordnet und ferner mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt, wie in 3 gezeigt ist.
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Es sei zu verstehen, dass die Feder 218 die Kompressionskraft für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitstellt. Bei besonderen Ausführungsformen wird die Feder 218 bei Zusammenbau des Brennstoffzellensystems 2 unter Kompression gesetzt. Während des Betriebs des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 treibt die Feder 218 die erste Federplatte 214 weg von der zweiten Federplatte 216 und treibt dadurch die erste Endeinheit 204 in Richtung der zweiten Endeinheit 206. Die Feder 218 kann als illustrative Beispiele eine oder mehrere Tellerfedern und/oder Schraubenfedern aufweisen. Zusätzlich geeignete Typen der Feder 218 können beispielsweise planare Federn, Flachfedern, Wellenfedern und Gasfedern umfassen. Die unter Kompression stehende Feder 218 sieht dadurch die Kompressionskraft für den Brennstoffzellenstapel 2 vor.
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Die erste und zweite Tafel 210, 212 der Offenbarung sind aus einem Material geformt, das ausreichend ist, um die Kompressionskraft für den Brennstoffzellenstapel 2 bereitzustellen. Geeignete Materialien können Metall, Metalllegierungen, Kunststoff sowie Kunststoffverbundstoffmaterialien umfassen. Bei einer Ausführungsform umfassen die erste und zweite Tafel 210, 212 eine dünne Metalllage. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel ist die dünne Lage aus Metall ein Blech. Illustrative Beispiele geeigneter Bleche umfassen Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Zinn, Nickel, Titan sowie deren Legierungen. Es sei angemerkt, dass Blech in einer Vielzahl von Stärken verfügbar ist, die für die erste und zweite Metalltafel 210, 212 der vorliegenden Offenbarung geeignet sind. Als nicht beschränkende Beispiele können geeignete Blechstärken im Bereich von etwa 0,4 mm (etwa 0,016 Zoll) bis etwa 4 mm (etwa 0,16 Zoll) liegen. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt die Dicke der ersten und zweiten Tafel 210, 212 etwa 1,2 mm (etwa 0,05 Zoll). Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls auch Blech mit anderer Dicke verwendet werden kann. Das Blech wird typischerweise gemäß den Soll-Zuglasten, die auf die Tafeln 210, 212 ausgeübt werden sollen, bemessen.
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Die Tafeln 210, 212 können mit der ersten Endeinheit 204 und der ersten Federplatte 214 durch eine beliebige herkömmliche Befestigungsvorrichtung gekoppelt sein. Als nicht beschränkende Beispiele ist die Befestigungsvorrichtung ein Bolzen bzw. eine Schraube, eine Schweißnaht, ein Niet, eine Schnappverbindung und/oder eine Klemmverbindung. Bei einer bestimmten Ausführungsform sind die Tafeln 210, 212 nach der Formung der Endeinheit 204 beispielsweise über Formgebung über der ersten Endeinheit 204 angeordnet und bedecken diese. Die Tafeln 210, 212 können mit der ersten Endeinheit 204 über Reibung gekoppelt sein. Es sei zu verstehen, dass die Tafeln 210, 212, wenn sie die erste Endeinheit 204 bedecken, für eine optimierte Verteilung von Kompressionskräften an der ersten Endeinheit 204 sorgen können. Andere geeignete Mittel zum Koppeln der Tafeln 210, 212 an der ersten Endeinheit 204 und der ersten Federplatte 214 können gegebenenfalls verwendet werden.
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Die zweite Federplatte 216 kann ebenfalls durch eine beliebige herkömmliche Befestigungsvorrichtung mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt sein. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die zweite Federplatte 216 über einen Bolzen bzw. eine Schraube 224 an der zweiten Endeinheit 206 befestigt. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Federstrebe 222 ein erstes Ende 225 mit einem Außengewinde und ein zweites Ende 227 mit einem Innengewinde aufweisen. Das erste Ende 225 mit dem Außengewinde kann fest in die zweite Federplatte 216 geschraubt werden. Das Außengewinde des ersten Endes 225 kann eine Einstellung der auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübten Kompressionskraft unterstützen. Das zweite Ende 227 mit dem Innengewinde kann sicher in den durch die zweite Endeinheit 206 angeordneten Bolzen 224 geschraubt werden, um die Federstrebe 222 mit der zweiten Endeinheit 206 zu koppeln. Die zweite Federplatte 216 kann dadurch mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 eine Tafeltrenneinrichtung 228 aufweisen. Die Tafeltrenneinrichtung 228 ist zwischen den Tafeln 210, 212 benachbart der zweiten Federplatte 216 angeordnet. Die Tafeltrenneinrichtung 228 ist derart angepasst, um die Tafeln 210, 212 mit einer Breite zu beabstanden, die für eine Anordnung der Feder 218 dazwischen ausreichend ist. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Tafeltrenneinrichtung 228 ein C-Kanal-Element sein. Wie in 6 ferner gezeigt ist, kann die Tafeltrenneinrichtung 229 ein zylindrisches Element sein, wie ein Rohr. Gegebenenfalls können andere geeignete Formen zum Beabstanden des Paares von Tafeln 210, 212 verwendet werden.
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Wie in 5 gezeigt ist, kann die Feder 218 in einem Gehäuse 230 angeordnet sein. Das Gehäuse 230 kann die Feder 218 und zumindest eine der ersten und zweiten Federplatte 214, 216 im Wesentlichen umschließen. Es sei zu verstehen, dass das Gehäuse 230 auch als die Tafeltrenneinrichtung 228 dienen kann. Das Gehäuse 230 kann eine im Wesentlichen rechtwinklige Querschnittsform besitzen, wie beispielsweise, wenn das Gehäuse 230 ein Schlauch oder ein Rohr ist. Andere geeignete Formen für das Gehäuse 230 können ebenfalls verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann das Gehäuse 230 mit der ersten Federplatte 214 und den Tafeln 210, 212 gekoppelt sein. Jede der Tafeln 210, 212 kann an entgegengesetzten Seiten des Gehäuses 230 angeordnet und beispielsweise durch ein beliebiges herkömmliches Befestigungselement damit gekoppelt sein.
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Unter neuerlichem Bezug auf 6 können die Tafeln 210, 212 nach Bedarf mit der ersten Endeinheit 204 gekoppelt sein. Das Paar von Tafeln 210, 212 kann beispielsweise aus einer umgeschlagenen bzw. gefalteten fortlaufenden Tafel geformt sein. Bei der Ausführungsform von 6 kann die erste Tafel 210 eine Faltung 232 um die erste Federplatte 214 herum bilden. Ein Abschnitt der ersten Tafel 210 an der Innenseite des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 kann direkt mit der ersten Endeinheit 204 gekoppelt sein. Ein Abschnitt der ersten Tafel 210, der die Faltung 232 um die erste Federplatte 214 herum bildet, kann dann an dem mit der ersten Endeinheit 204 gekoppelten Abschnitt befestigt sein. Die Tafel 210 kann hierdurch als das Paar von Tafeln 210, 212 funktionieren und sowohl an der ersten Endeinheit 204 als auch der ersten Federplatte 214 anliegen.
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Wie ferner in 7 gezeigt ist, kann die erste Federplatte 214 zumindest ein Hängemerkmal 234 aufweisen, wie beispielsweise eine Lasche. Zumindest eine der Tafeln 210, 212 besitzt ein darin geformtes Loch 236, das derart angepasst ist, um mit dem Hängemerkmal 234 zusammenzuwirken. Die erste Federplatte 214 kann ferner eine darin geformte Nut 238 aufweisen, in die zumindest eine der ersten und zweiten Tafel 210, 212 eingesetzt werden kann, um die Tafeln 210, 212 an der ersten Federplatte 214 anzubringen.
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Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung kann auch als eine kombinierte EMI-Abschirmung wie auch als eine Umweltabschirmung für den Brennstoffzellenstapel 2 dienen. Wie in den 8 und 9 angezeigt ist, kann zumindest eine der Tafeln 210, 212 über die erste Federplatte 214 hinausführen, um eine obere erste Ummantelung 240 zu bilden. Die erste Ummantelung 240 kann ferner Tafeln aufweisen, die benachbart dem vorderen Bereich und im hinteren Bereich des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind, um einen oberen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 im Wesentlichen zu umschließen. Die erste Ummantelung 240 ist derart angepasst, um eine ähnliche untere zweite Ummantelung 242 zu überlappen und mit dieser zusammenzuwirken, die mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt ist. Bezug nehmend auf 9 kann die erste und zweite Ummantelung 240, 242 eine dazwischen angeordnete Dichtung 244 aufweisen. Die Dichtung 244 ist allgemein polymer und unterstützt eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen der ersten und zweiten Ummantelung 240, 242. Bei einer besonderen Ausführungform ist die Dichtung 244 eine kombinierte EMI- und Umgebungsabsteifdichtung, wie eine axiale polymere Dichtung, die eine im wesentlichen fluiddichte Abdichtung erzeugt, während eine relative Bewegung der ersten und zweiten Ummantelung 240, 242 ermöglicht wird. Die Abstreifdichtung kann zum Umschließen von Fluid verwendet werden und verhindern, dass Schmutz in den Brennstoffzellenstapel 2 eintritt. Der Fachmann kann gegebenenfalls andere geeignete Dichtungen wählen.
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Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellensystems 200. Das Verfahren umfasst zunächst die Schritte, dass der Brennstoffzellenstapel 2 mit der Vielzahl von Brennstoffzellen bereitgestellt wird und das Kompressionsbeibehaltungssystem 208, wie hier oben beschrieben ist, bereitgestellt wird. Der Brennstoffzellenstapel 2 wird dann zwischen der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 angeordnet. Die Federstrebe 222 des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 wird angebracht. Beispielsweise kann die Federstrebe 222 einen aufgeweiteten Abschnitt aufweisen, der derart angepasst ist, dass er beispielsweise durch ein Kompressionswerkzeug sicher ergriffen werden kann (wie in den 10 und 11 gezeigt ist).
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Das Verfahren umfasst ferner den Schritt, dass eine Zugkraft auf die Federstrebe 222 aufgebracht wird, wodurch eine Kompressionslast auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübt wird. Die Federstrebe 222 wird dann mit der zweiten Endeinheit 206 gekoppelt und die Zugkraft entfernt. Es sei angemerkt, dass, nachdem die Zugkraft ausgeübt wird, die Federstrebe 222 angebracht wird, und nachdem die Zugkraft entfernt wird, die Feder 218 komprimiert wird. Die Feder 218 treibt die erste und zweite Federplatte 214, 216 bei Beendigung des Zusammenbaus des Brennstoffzellensystems 200 voneinander weg.
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Nun Bezug nehmend auf die 10 und 11 kann das Verfahren der vorliegenden Offenbarung mit einem Kompressionswerkzeug 300 ausgeführt werden. Das Kompressionswerkzeug 300 umfasst eine Druckplatte 302, ein Paar von Seitenplatten 306 und zumindest ein Paar von Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben. Die Druckplatte 302 ist zwischen den Seitenplatten 306 angeordnet. Jede Schiene 308 zum Ergreifen der Federstreben ist an einer der Seitenplatten 306 angebracht. Die Druckplatte 302 ist derart ausgestaltet, um zu bewirken, dass die Seitenplatten 306 und die Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben die Kompressionslast für den Brennstoffzellenstapel 2 bei Einsetzen des Brennstoffzellenstapels 2 und des Kompressionsbeibehaltungssystems 208 in das Kompressionswerkzeug 300 ausüben. Durch Ausüben einer Kompressionskraft auf die Druckplatte 302 sehen die Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben eine Zuglast für die Federstreben 222 vor. Die Schienen 308 zum Ergreifen der Federstreben können mit der Federstrebe 222 des Brennstoffzellensystems 200 in Kontakt stehen, um die Kompressionslast auf den Brennstoffzellenstapel 2 auszuüben. Wenn die Kompressionskraft von der Druckplatte 302 anschließend entlastet wird, sei zu verstehen, dass das Anbringen der Federstrebe 222 an der zweiten Endeinheit 206 zur Folge hat, dass die Kompression der Feder 218 und des Brennstoffzellenstapels 2 gehalten wird.
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Es sei angemerkt, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung eine Höhe des Brennstoffzellensystems 2 dadurch optimiert, dass die Federn 218 an den Seiten des Brennstoffzellensystems 2 anstatt an der Oberseite angeordnet sind, wie es der Fall bei bestimmten bekannten Kompressionsbeibehaltungssystemen ist. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 besitzt ferner eine optimierte Federkonstante durch die Fähigkeit, Federn 218 mit geringerer Kompression an den Seiten des Brennstoffzellenstapels 2 zu verwenden. Die optimierte Federkonstante sieht eine verbesserte Haltbarkeit gegenüber Kompressionsbeibehaltungssystemen 208 nach dem Stand der Technik vor.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der in den folgenden angeführten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
