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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten zur Montage in einer elektrochemischen Vorrichtung.
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Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere als eine Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, die einen Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten umfasst.
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Bei einer üblichen Vorgehensweise wird der Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten nach seiner Herstellung für eine Lagerung und/oder für einen Transport verspannt, bevor der Stapel in die Brennstoffzellenvorrichtung eingebaut wird. Dabei befindet sich der Stapel zwischen einem Anschlusselement in Form einer Anschlussplatte und einem Abschlusselement in Form einer Abschlussplatte. Das Anschlusselement und das Abschlusselement sind mittels Gewindestangen miteinander verschraubt, wodurch der Stapel zwischen diesen beiden Elementen verspannt wird. Diese Art der Verspannung wird „Transportverspannung“ genannt.
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Die mechanische Verspannung des Stapels dient zu dessen Schutz und stellt sicher, dass der Kontakt zwischen einzelnen Elementen der Brennstoffzelleneinheiten, beispielsweise Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen der Brennstoffzelleneinheiten, sowie zwischen in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten aufrechterhalten bleibt. Hierdurch werden im späteren Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung geringe elektrische Verluste durch einen geringen Kontaktwiderstand erzielt.
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Ferner wird durch die mechanische Verspannung des Stapels sichergestellt, dass Abdichtungen innerhalb der einzelnen Brennstoffzelleneinheiten sowie zwischen in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten durch die eingebrachte Verspannung eine Druckkraft erfahren, was Undichtigkeiten verhindert.
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Während der sich an den Transport und/oder die Lagerung des Stapels anschließenden Montage des Stapels in der Brennstoffzellenvorrichtung wird ein Umspannen vorgenommen. Dabei wird der transportverspannte Stapel auf ein Versorgungssystem der Brennstoffzellenvorrichtung gesetzt, welches der Zufuhr von Reaktanden, beispielsweise Brenngas und Oxidationsmittel, zu dem Stapel im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung dient. Das Versorgungssystem wird zusammen mit dem Stapel in eine thermische Isolationsbox eingebracht. Anschließend wird der Stapel mittels einer Betriebsfedervorrichtung über die thermische Isolationsbox oder ein thermisches Isolationsmaterial bei einer Betriebsverspannung verspannt, und die Transportfedervorrichtung wird entfernt.
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Wenn die Gewindestangen der Transportfedervorrichtung kein elektrisches Isolationsmaterial umfassen, müssen sie aus der Brennstoffzellenvorrichtung entfernt werden, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Minuspol und dem Pluspol der Brennstoffzellenvorrichtung zu verhindern.
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Die Beaufschlagung des Stapels mit der Betriebsfederkraft mittels der Betriebsfedervorrichtung ist erforderlich, um die für eine ausreichende Abdichtung erforderliche Dichtkraft an der Schnittstellendichtung zwischen dem Anschlusselement des Stapels und einem Anschlusselement des Versorgungssystems und zwischen den Ebenen des Stapels zu erzeugen und um die Ebenen des Stapels mit einem hinreichend niedrigen Kontaktwiderstand elektrisch leitend zu kontaktieren.
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Außerdem kann durch das Umspannen von der Transportfedervorrichtung hin zur Betriebsfedervorrichtung ein während des Transports und/oder der Lagerung des Stapels eingetretener Federkraftverlust ausgeglichen werden.
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Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die Konstruktion der thermischen Isolationsbox ein Umspannen des Stapels von der Transportfedervorrichtung zu der Betriebsfedervorrichtung ermöglichen muss.
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Dies bedingt eine aufwändige und mehrteilige Konstruktion der thermischen Isolationsbox, da das Entfernen der Transportfedervorrichtung möglich sein muss. Die Zugänglichkeit des Stapels bei der Montage und/oder der Demontage der Brennstoffzellenvorrichtung muss daher sichergestellt sein.
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Ferner bedingt die Notwendigkeit des Umspannens erhöhte Kosten für die thermische Isolationsbox, da die Bestandteile der Isolationsbox komplexe Formen aufweisen müssen, die teilweise dreidimensional gefräst werden müssen.
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Ferner bedingt die Notwendigkeit des Umspannens einen erhöhten Platzbedarf für die thermische Isolationsbox, da sowohl Platz für die Transportfedervorrichtung als auch für deren Demontage und für die Montage der Betriebsfedervorrichtung vorhanden sein muss. Eine größere Isolationsbox bedeutet wiederum einen erhöhten Platzbedarf im Gesamtsystem.
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Ferner erfordert der Zusammenbau einer mehrteiligen Isolationsbox, die Montage des Stapels in die Isolationsbox hinein und das Umspannen des Stapels von der Transportfedervorrichtung hin zu der Betriebsfedervorrichtung einen erhöhten Zeitaufwand.
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Außerdem besteht das Risiko, dass durch das Umspannen Schädigungen im Stapel entstehen können.
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Ferner können mögliche Schädigungen durch das Umspannen erst im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung, also beim Endabnehmer, festgestellt werden.
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Außerdem wird, bedingt durch die Notwendigkeit des Umspannens, die thermische Isolationsbox mehrteilig ausgeführt, wodurch Schnittstellen zwischen den mehreren Bauteilen entstehen, welche Wärmebrücken darstellen können, insbesondere bei den hohen Betriebstemperaturen einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung (< 600°C). Solche Wärmebrücken verschlechtern die Energiebilanz der Brennstoffzellenvorrichtung und können ein ungleichmäßiges Temperaturfeld verursachen, was sich negativ auf die Leistung und/oder die Effizienz und auf die Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung auswirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten zur Montage in einer elektrochemischen Vorrichtung zu schaffen, bei welchem die durch das Umspannen von einer Transportfedervorrichtung zu einer Betriebsfedervorrichtung verursachten Nachteile entfallen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gehäuse für einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten zur Montage in einer elektrochemischen Vorrichtung gelöst, welches Folgendes umfasst:
- - ein elastisches Spannelement zum Verspannen des Stapels in dem Gehäuse, wobei das Spannelement innerhalb des Gehäuses zwischen dem Gehäuse und dem Stapel angeordnet ist,
- - einen Anschlag, gegen welchen der Stapel von dem Spannelement vorgespannt wird, und
- - ein Anschlusselement, mit welchem das Gehäuse an ein Anschlusselement eines Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung anschließbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, den Stapel von elektrochemischen Einheiten, vorzugsweise unmittelbar nach der Fertigung der elektrochemischen Einheiten, mittels eines in das Gehäuse integrierten elastischen Spannelements bei einer Einspannkraft zu verspannen.
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Hierdurch wird eine schwimmende Lagerung des Stapels aus elektrochemischen Einheiten innerhalb des Gehäuses erzielt.
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Das Gehäuse wird an einem Anschlusselement eines Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung festgelegt, wobei der Stapel mittels des Spannelements im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung bei einer Betriebseinspannkraft verspannt ist, welche grundsätzlich gleich groß wie die Einspannkraft vor dem Festlegen an dem Anschlusselement des Versorgungssystems oder von der Einspannkraft vor dem Festlegen an dem Anschlusselement des Versorgungssystems verschieden, insbesondere größer als diese Einspannkraft, sein kann.
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Somit erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse kein Umspannen des Stapels von einer Transportfedervorrichtung zu einer hiervon verschiedenen Betriebsfedervorrichtu ng.
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Vielmehr dient das elastische Spannelement auch zur Verspannung des Stapels im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung, also als Betriebsfedervorrichtung, und kann somit als Standard-Federvorrichtung bezeichnet werden.
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Das Gehäuse kann insbesondere als eine Hutze ausgebildet sein.
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Das Gehäuse kann ein Tragwerk mit oder ohne Verkleidung umfassen.
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Das Gehäuse kann ein oder mehrere Verkleidungselemente umfassen.
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Zur Ausübung einer elastischen Einspannkraft auf den Stapel kann das Spannelement mindestens ein Federelement umfassen. Das Federelement kann beispielsweise als eine Tellerfeder, ein Tellerfederpaket, eine Druckschraubenfeder oder eine Zugschraubenfeder ausgebildet sein.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann das Spannelement ein elastisch verformbares metallisches Material und/oder ein elastisch verformbares keramisches Material umfassen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspannkraft von dem Spannelement zentral in den Stapel eingeleitet wird, vorzugsweise an einer Einleitungsstelle, welche auf einer parallel zur Stapelrichtung ausgerichteten Längsmittelachse des Stapels liegt.
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Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Gehäuse eine den Stapel zumindest teilweise umgebende thermische Isolation aufweist.
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In diesem Fall ist es günstig, wenn das Spannelement innerhalb der thermischen Isolation, das heißt im heißen Bereich des Gehäuses und der elektrochemischen Vorrichtung, angeordnet ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Spannelement in einem Bereich des Gehäuses angeordnet ist, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung eine Temperatur von mindestens 600°C aufweist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Spannelement in einem gegenüber dem Stapel zumindest teilweise thermisch abgeschirmten mittel-heißen Bereich des Gehäuses und der elektrochemischen Vorrichtung, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung vorzugsweise eine Temperatur zwischen ungefähr 50°C und ungefähr 600°C aufweist, oder im kalten Bereich des Gehäuses und der elektrochemischen Vorrichtung, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung eine Temperatur von höchstens ungefähr 50°C aufweist, angeordnet ist.
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Um die für den Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung erforderlichen Medien, beispielsweise ein Brenngas und/oder ein Oxidationsmittel, dem Stapel im Innenraum des Gehäuses zuführen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Gehäuse an zumindest einer seiner Seiten eine Eintrittsöffnung aufweist.
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Vorzugsweise ist diese Eintrittsöffnung im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung einem Anschlusselement des Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung zugewandt.
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Ferner ist bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dass das Gehäuse lösbar an dem Anschlusselement des Versorgungssystems festlegbar ist, beispielsweise durch Verschraubung.
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Dabei kann durch die lösbare Festlegung, insbesondere die Verschraubung, des Gehäuses mit dem Versorgungssystem eine zusätzliche Kraft zwischen einem Anschlusselement des Gehäuses und einem Anschlusselement des Versorgungssystems aufgebracht werden.
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Diese zusätzliche Kraft kann beispielsweise zur Sicherstellung der Abdichtung zwischen dem Stapel aus elektrochemischen Einheiten und dem Versorgungssystem der elektrochemischen Vorrichtung dienen.
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Die Abdichtung kann dabei beispielsweise durch eine zusätzliche Dichtung, beispielsweise aus Glimmer oder in Form eines Vlieses, und/oder durch das Vorsehen von Dichtkonturen, insbesondere Sicken, an dem Anschlusselement des Gehäuses und/oder an dem Anschlusselement des Versorgungssystems erzielt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Gehäuse ein Anschlusselement, das mindestens einen Mediumkanal aufweist, welcher an einen zugeordneten Mediumkanal des Anschlusselements des Versorgungssystems anschließbar ist.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Anschlag aufweist, gegen welchen der Stapel vor dem Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems vorgespannt wird.
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Ein solcher Anschlag kann beispielsweise durch einen an einer Wand des Gehäuses vorgesehenen Vorsprung ausgebildet sein.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Anschlag durch ein Anschlusselement des Gehäuses gebildet ist, welches mindestens einen Mediumkanal aufweist.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses ist vorgesehen, dass die Betriebseinspannkraft, mit welcher das Spannelement den Stapel im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung verspannt, im Wesentlichen gleich groß ist wie die Einspannkraft, mit welcher das Spannelement den Stapel vor dem Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems gegen den Anschlag vorspannt.
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In diesem Fall muss die anfängliche Einspannkraft bereits ausreichend hoch gewählt werden, um auch eine ausreichende Verspannung des Stapels aus elektrochemischen Einheiten im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung zu gewährleisten.
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Auf eine Erhöhung der Betriebseinspannkraft gegenüber der anfänglichen Einspannkraft beim Festlegen des Gehäuses an dem Versorgungssystem kann insbesondere dann verzichtet werden, wenn ein mindestens einen Mediumkanal aufweisendes Anschlusselement des Gehäuses durch Verschraubung mit dem Anschlusselement des Versorgungssystems, welches einen diesem Mediumkanal entsprechenden Mediumkanal aufweist, festgelegt wird.
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Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Betriebseinspannkraft, mit welcher das Spannelement den Stapel im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung verspannt, größer ist als die Einspannkraft, mit welcher das Spannelement den Stapel vor dem Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems gegen den Anschlag vorspannt.
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Hierdurch kann insbesondere ein Einspannkraftverlust während des Transports und/oder der Lagerung des Gehäuses vor dessen Montage in der elektrochemischen Vorrichtung kompensiert werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die von dem Spannelement auf den Stapel ausgeübte Einspannkraft beim Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems von der anfänglichen Einspannkraft auf die Betriebseinspannkraft erhöht wird.
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Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Stapel beim Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems von einem Anschlag des Gehäuses, gegen welchen der Stapel vor dem Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems vorgespannt worden ist, abgehoben wird.
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Die Höhe der hierdurch erzielten zusätzlichen Einspannkraft hängt von der Strecke ab, um welche der Stapel zu dem Spannelement hin verschoben wird.
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Ferner hängt die Höhe der zusätzlichen Einspannkraft von der Federrate oder dem Elastizitätsmodul des Spannelements ab.
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Die Verschiebung des Stapels hin zu dem Spannelement beim Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems kann beispielsweise durch einen Vorsprung an dem Anschlusselement des Versorgungssystems, durch einen Vorsprung an einem Anschlusselement des Gehäuses und/oder durch Anordnung eines Zwischenelements, insbesondere einer Dichtung, zwischen dem Anschlusselement des Gehäuses und dem Anschlusselement des Versorgungssystems bewirkt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement des Versorgungssystems einen Vorsprung aufweist, der den Stapel von dem Anschlag des Gehäuses abhebt, so dass der Stapel im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung von dem Anschlag des Gehäuses beabstandet ist und/oder sich an dem Vorsprung des Anschlusselements des Versorgungssystems abstützt.
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In diesem Fall ist es günstig, wenn das Gehäuse eine Eintrittsöffnung aufweist, durch welche der Vorsprung des Anschlusselements des Versorgungssystems in das Gehäuse eintritt, wenn das Gehäuse an dem Anschlusselement des Versorgungssystems festgelegt wird.
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Durch die Erhöhung der Einspannkraft von der anfänglichen Einspannkraft auf die Betriebseinspannkraft wird die Verspannung des Stapels erhöht.
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Das Spannelement kann ein elastisch verformbares Federelement, ein elastisch verformbares metallisches Element und/oder ein elastisch verformbares keramisches Element umfassen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Gehäuses ist der Stapel aus elektrochemischen Einheiten in betriebsfertigem Zustand in der elektrochemischen Vorrichtung montierbar, ohne dass hierfür ein Umspannen von einer Transportfedervorrichtung auf eine Betriebsfedervorrichtung erforderlich ist.
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Der Anschlag, gegen welchen der Stapel vor dem Festlegen des Gehäuses an dem Anschlusselement des Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung vorgespannt wird, kann dabei durch das Anschlusselement des Gehäuses oder durch ein anderes Element des Gehäuses, beispielsweise einen von einer Wand des Gehäuses vorspringenden Vorsprung, gebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Gehäuse eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung, welche ein erfindungsgemäßes Gehäuse und ein Versorgungssystem umfasst, wobei das Versorgungssystem ein Anschlusselement umfasst, an welches das Anschlusselement des Gehäuses angeschlossen ist, und wobei der Stapel im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung mittels des elastischen Spannelements bei einer Betriebseinspannkraft verspannt ist.
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Das erfindungsgemäße Gehäuse, das vorzugsweise ein Tragwerk und optional eine Verkleidung und/oder eine thermische Isolation umfasst, weist somit eine integrierte Verspannungsvorrichtung auf, wobei diese Verspannungsvorrichtung sowohl für die Verspannung des Stapels während einer Transport- oder Lagerungsphase als auch für die Verspannung des Stapels im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen ist.
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Damit entfällt das sonst notwendige Umspannen von einer Transportfedervorrichtung zu einer hiervon verschiedenen Betriebsfedervorrichtung.
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Die elektrochemische Vorrichtung kann insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung oder ein Elektrolyseur sein, und die elektrochemischen Einheiten können insbesondere Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolyseeinheiten sein.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere mit einer Betriebstemperatur von mindestens 600°C oder mehr, ist.
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Beispielsweise kann die Brennstoffzellenvorrichtung eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung („Solid Oxide Fuel Cell“, SOFC) sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten einer elektrochemischen Vorrichtung nach dem Stand der Technik, der mittels einer Transportfedervorrichtung bei einer Transportfederkraft verspannt ist;
- 2 einen schematischen Schnitt durch eine elektrochemische Vorrichtung nach dem Stand der Technik, in welcher der Stapel aus 1 montiert worden ist und in welcher der Stapel mittels einer Betriebsfedervorrichtung bei einer Betriebsfederkraft verspannt wird, vor dem Lösen und Entfernen der Transportfedervorrichtung;
- 3 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuses für einen Stapel aus elektrochemischen Einheiten zur Montage an einer elektrochemischen Vorrichtung, welches ein elastisches Spannelement zum Verspannen des Stapels in dem Gehäuse bei einer Einspannkraft umfasst;
- 4 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse aus 3, nachdem das Gehäuse an einem Anschlusselement eines Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung festgelegt worden ist;
- 5 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses, bei welcher der Stapel aus elektrochemischen Einheiten gegen ein Anschlusselement des Gehäuses mit Mediumkanälen bei einer Einspannkraft verspannt wird; und
- 6 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse aus 5, nachdem das Gehäuse an einem Anschlusselement eines Versorgungssystems der elektrochemischen Vorrichtung festgelegt worden ist, wobei der Stapel aus elektrochemischen Einheiten mittels des Spannelements bei einer Betriebseinspannkraft verspannt wird, welche der anfänglichen Einspannkraft entspricht.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in 2 als Ganzes dargestellte elektrochemische Vorrichtung 100 nach dem Stand der Technik, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfasst einen Stapel 102 aus (nicht einzeln dargestellten) elektrochemischen Einheiten, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten, welche längs einer Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgen.
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Der Stapel 102 ist zwischen einem Anschlusselement 106, beispielsweise in Form einer Anschlussplatte 108, und einem Abschlusselement 110, beispielsweise in Form einer Abschlussplatte 112, angeordnet.
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Das Anschlusselement 106 weist mehrere Medienkanäle 114 auf, die an jeweils zugeordnete Medienanschlüsse eines Medienverteilers 116 eines Versorgungssystems 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 angeschlossen sind.
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Der Medienverteiler 116 kann insbesondere Mediumanschlüsse für die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsmittels sowie für die Abfuhr von teilweise verbrauchtem Brenngas und Oxidationsmittel sowie von Reaktionsprodukten umfassen.
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Zwischen dem Anschlusselement 106 des Stapels 102 und dem Medienverteiler 116 ist eine Dichtung 120 angeordnet, welche Durchtrittsöffnungen für die Medienzufuhr zu dem Stapel 102 und für die Medienabfuhr aus dem Stapel 102 während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung 100 aufweist.
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Der Stapel 102 und der Medienverteiler 116 sind in einer Umhausung 124 angeordnet, welche aus Wandelementen 126 mit thermischer Isolationswirkung zusammengesetzt ist und den Stapel 102 thermisch von einem Außenraum der Umhausung 124 trennt.
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Um den Stapel 102 während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung 100 mit einer Betriebsfederkraft verspannen zu können, umfasst die elektrochemische Vorrichtung 100 ferner eine Betriebsfedervorrichtung 128 mit einem Federelement 130, das beispielsweise als eine Druck-Schraubenfeder ausgebildet ist.
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Ferner umfasst die Betriebsfedervorrichtung 128 einen Stempel 132, der die Betriebsfederkraft, welche das Federelement 130 ausübt, auf das Abschlusselement 110 überträgt.
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Das dem Stempel 132 abgewandte Ende des Federelements 130 stützt sich an einem Tragwerk 134 zur Aufnahme der Betriebsfederkraft ab.
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Um den Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten vor seiner Montage in der elektrochemischen Vorrichtung 100 unter Verspannung bei einer Transportfederkraft transportieren und/oder lagern zu können, ist ferner eine Transportfedervorrichtung 136 vorgesehen.
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In 1 ist die Transportfedervorrichtung 136 mit dem Stapel 102 und dem Anschlusselement 106 sowie dem Abschlusselement 110 separat dargestellt.
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Die Transportfedervorrichtung 136 umfasst mehrere, beispielsweise vier, Gewindestangen 138, welche in Gewindelöcher 140 an dem Anschlusselement 106 eingeschraubt sind und sich durch Durchtrittsöffnungen 142 in dem Abschlusselement 110 hindurch erstrecken.
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In ihrem Endbereich 144, welcher auf der dem Anschlusselement 106 abgewandten Seite des Abschlusselements 110 angeordnet ist, sind die Gewindestangen 138 mit jeweils einer Gewindemutter 146 und vorzugsweise auch mit jeweils einer Unterlegscheibe 148 versehen.
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Ferner umfasst die Transportfedervorrichtung 136 für jede Gewindestange 138 jeweils ein Federelement 150, das sich einerseits an der Mutter 146 und andererseits an dem Abschlusselement 110 abstützt und die jeweils zugeordnete Gewindestange 138 umgibt.
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Jedes Federelement 150 kann beispielsweise als eine Druck-Schraubenfeder ausgebildet sein.
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Durch die von den Federelementen 150 der Transportfedervorrichtung 136 nahe des Umfangs des Abschlusselements 110 auf das Abschlusselement 110 ausgeübte Transportfederkraft wird der Stapel 102 zwischen dem Abschlusselement 110 und dem Anschlusselement 106 verspannt.
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Die mechanische Verspannung des Stapels 102 mittels der Transportfedervorrichtung 136 dient zum Schutz des Stapels 102 während eines Transports des Stapels 102 vom Herstellungsort des Stapels 102 bis zum Montageort der elektrochemischen Vorrichtung 100 und/oder während einer Lagerung des Stapels 102 vor dessen Montage in der elektrochemischen Vorrichtung 100. Durch diese mechanische Verspannung wird sichergestellt, dass die Kontaktsituation zwischen einzelnen Elementen der elektrochemischen Einheiten (beispielsweise Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen von Brennstoffzelleneinheiten) sowie zwischen in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten aufrechterhalten bleibt.
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Hierdurch werden im späteren Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 geringe elektrische Verluste durch einen geringen Kontaktwiderstand erzielt.
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Ferner wird durch die mechanische Verspannung des Stapels 102 sichergestellt, dass Abdichtungen innerhalb der einzelnen elektrochemischen Einheiten sowie zwischen in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden elektrochemischen Einheiten durch die eingebrachte Verspannung eine Druckkraft erfahren, was Undichtigkeiten verhindert.
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Während der sich an den Transport und/oder die Lagerung des Stapels 102 mit der Transportfedervorrichtung 136 anschließenden Montage des Stapels 102 in der elektrochemischen Vorrichtung 100 wird ein Umspannen vorgenommen.
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Dabei wird der Stapel 102 mit der Transportfedervorrichtung 136 auf den Medienverteiler 116 des Versorgungssystems 118 aufgesetzt.
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Der Medienverteiler 116 und der Stapel 102 mit der Transportfedervorrichtung 136 werden in die Umhausung 124 mit den thermisch isolierenden Wandelementen 126 eingebracht.
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Anschließend wird der Stapel 102 mittels der Betriebsfedervorrichtung 128 bei der Betriebsfederkraft verspannt. Die Transportfedervorrichtung 136 wird gelöst und entfernt.
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Dabei kann der Stapel 102 kurzzeitig auch mit einer erhöhten Verspannungskraft beaufschlagt werden, welche maximal der Summe aus der Transportfederkraft und der Betriebsfederkraft entspricht. Da es sich hierbei jedoch um Druckspannungen handelt, entstehen hierdurch keine Schädigungen am Stapel 102.
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Da die Gewindestangen 138 der Transportfedervorrichtung 136 das Anschlusselement 106 und das Abschlusselement 110 elektrisch leitend miteinander verbinden, müssen die Gewindestangen 138 aus der elektrochemischen Vorrichtung 100 entfernt werden, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Minuspol und dem Pluspol der elektrochemischen Vorrichtung 100 zu verhindern.
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Die Beaufschlagung des Stapels 102 mit der Betriebsfederkraft mittels der Betriebsfedervorrichtung 128 ist erforderlich, um die für eine ausreichende Abdichtung erforderliche Dichtkraft an der Dichtung 120 zwischen dem Anschlusselement 106 und dem Medienverteiler 116 zu erzeugen.
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Außerdem kann durch das Umspannen von der Transportfedervorrichtung 136 hin zur Betriebsfedervorrichtung 128 ein während des Transports und/oder der Lagerung des Stapels 102 eingetretener Federkraftverlust ausgeglichen werden.
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Eine in den 3 und 4 dargestellte erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten elektrochemischen Vorrichtung 100 insbesondere dadurch, dass statt der Transportfedervorrichtung 136, welche gemäß dem Stand der Technik zum Beaufschlagen des Stapels 102 während eines Transports und/oder einer Lagerung des Stapels 102 vor dessen Montage in der elektrochemischen Vorrichtung 100 verwendet wird, ein elastisches Spannelement 170 verwendet wird, welches auch nach der Montage des Stapels 102 in der elektrochemischen Vorrichtung 100 in der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbleibt und dazu dient, den Stapel 102 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 mit der gewünschten Betriebseinspannkraft zu beaufschlagen.
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Bei dieser Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 wird somit kein Umspannen von einer Transportfedervorrichtung 136 auf eine Betriebsfedervorrichtung 128 vorgenommen.
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Bei dieser Ausführungsform umfasst die elektrochemische Vorrichtung 100 ein separat in 3 dargestelltes Gehäuse 152 mit einer thermisch isolierten Stirnwand 154 und thermisch isolierten Seitenwänden 156, welche zusammen eine thermische Isolation 158 des Gehäuses 152 bilden.
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Der Stirnwand 154 gegenüberliegend ist eine Eintrittsöffnung 160 an dem Gehäuse 152 vorgesehen, deren Funktion im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
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Die Eintrittsöffnung 160 wird berandet von einem Anschlag 162, welcher insbesondere die Form eines von den Seitenwänden 156 des Gehäuses 152 in die Eintrittsöffnung 160 hinein vorstehenden Vorsprungs aufweist.
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Ferner umfasst das Gehäuse 152 einen an das der Stirnwand 154 abgewandte Ende der Seitenwände 156 angrenzenden Gehäusefuß 164, welcher insbesondere einen in den Außenraum des Gehäuses 152 vorspringenden Befestigungsflansch 166 umfassen kann.
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An dem Befestigungsflansch 166 sind mehrere, längs des Umfangs des Befestigungsflansches 166 verteilte Befestigungsmittel-Durchtrittsöffnungen 168 vorgesehen.
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Ferner umfasst das Gehäuse 152 das elastische Spannelement 170, mittels welchem der zwischen einem Abschlusselement 110 (beispielsweise in Form einer Abschlussplatte 112) und einem Anschlusselement 106 (beispielsweise in Form einer Anschlussplatte 108) angeordnete Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten, die längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgen, mit einer Einspannkraft gegen den Anschlag 162 des Gehäuses 152 vorgespannt ist.
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Das Spannelement 170 umfasst beispielsweise ein Federelement 172, beispielsweise in Form einer Tellerfeder, welches vorzugsweise in einem von der thermischen Isolation 158 umgebenen Innenraum 174 des Gehäuses 152 angeordnet ist.
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Das Federelement 172 stützt sich einerseits an der Innenseite 176 der Stirnwand 154 des Gehäuses 152 und andererseits an der dem Anschlusselement 106 abgewandten Außenseite 178 des Abschlusselements 110 ab.
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Dabei steht das Spannelement 170 vorzugsweise an einer Kontaktstelle 180 mit dem Abschlusselement 110 in Kontakt, durch welche eine Längsmittelachse 182 des Stapels 102 aus elektrochemischen Einheiten hindurch verläuft.
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Das Spannelement 170 wirkt bei dieser Ausführungsform somit zentral auf das Anschlusselement 106 und somit auf den Stapel 102 ein.
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Das Anschlusselement 106 ist auch bei dieser Ausführungsform mit Mediumkanälen 114 versehen, welche mit jeweils zugeordneten Mediumanschlüssen 184 des Versorgungssystems 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbindbar sind, an denen Mediumkanäle 186 des Versorgungssystems 118 münden.
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3 zeigt das Gehäuse 152 im Transport- oder Lagerzustand, vor dem Montieren des Gehäuses 152 an einem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100, welches in 4 dargestellt ist.
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Für die Montage des Gehäuses 152 an dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 wird das Gehäuse 152 so auf das Anschlusselement 188 aufgesetzt, dass die Befestigungsmittel-Durchtrittsöffnungen 168 im Befestigungsflansch 166 des Gehäuses 152 im Wesentlichen mit jeweils einem zugeordneten Befestigungsmittel-Loch 190 des Anschlusselements 188 fluchten.
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Die Befestigungs-Löcher 190 können insbesondere als Gewindelöcher oder Gewindesacklöcher ausgebildet sein.
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Das Gehäuse 152 ist, vorzugsweise lösbar, mittels (nicht dargestellter) Befestigungsschrauben an dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 festlegbar, indem diese Befestigungsschrauben durch die Befestigungsmittel-Durchtrittsöffnungen 168 des Gehäuses 152 hindurch in die Befestigungsmittel-Löcher 190 des Anschlusselements 188 eingedreht werden.
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Zwischen der dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 zugewandten Außenseite des Gehäusefußes 164 einerseits und der dem Gehäuse 152 zugewandten Außenseite des Anschlusselements 188 andererseits kann eine, vorzugsweise flächige, Dichtung angeordnet sein.
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Das Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 weist ferner einen Vorsprung 192 auf, welcher so ausgebildet und angeordnet ist, dass er sich im montierten Zustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 durch die Eintrittsöffnung 160 des Gehäuses 152 hindurch in dessen Innenraum 174 hinein erstreckt und hierdurch das Anschlusselement 106 gegen die elastische Rückstellkraft des Spannelements 170 um die Strecke s längs der Stapelrichtung 104 von dem Anschlag 162 des Gehäuses 152 abhebt.
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Das Spannelement 170 wird somit bei dem Festlegen des Gehäuses 152 an dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 um die Strecke s stärker komprimiert als im Transport- oder Lagerzustand, so dass das Spannelement 170 den Stapel 102 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 mit einer Betriebseinspannkraft beaufschlagt, welche entsprechend größer ist als die anfängliche Einspannkraft im Transport- oder Lagerzustand des Gehäuses 152, in welchem das Anschlusselement 106 an dem Anschlag 162 des Gehäuses 152 abgestützt ist.
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Die Mediumkanäle 186, die an den Mediumanschlüssen 184 des Versorgungssystems 118 münden, sind bei dieser Ausführungsform in dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 angeordnet.
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An der dem Anschlusselement 106 des Gehäuses 152 zugewandten Stirnseite 194 des Vorsprungs 192 an dem Anschlusselement 188 kann eine Dichtung 120 mit Durchtrittsöffnungen 122 für die Zufuhr von Medien zu dem Stapel 102 beziehungsweise für die Abfuhr von Medien aus dem Stapel 102 angeordnet sein.
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Diese Dichtung 120 kann beispielsweise aus Glimmer oder einem Vliesmaterial gebildet sein.
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Die vorstehend beschriebene und in 4 dargestellte elektrochemische Vorrichtung 100 wird wie folgt hergestellt:
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Zunächst werden die einzelnen elektrochemischen Einheiten, beispielsweise Brennstoffzelleneinheiten, hergestellt, längs der Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelt und zusammen mit dem Anschlusselement 106 und dem Abschlusselement 110 in den Innenraum 174 des Gehäuses 152 eingebracht.
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Mittels des Spannelements 170 im Innenraum des Gehäuses 152 werden der Stapel 102, das Abschlusselement 110 und das Anschlusselement 106 mit einer anfänglichen Einspannkraft gegen den Anschlag 162 des Gehäuses 152 vorgespannt.
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Nach Transport und/oder Lagerung des Gehäuses 152 mit dem daran angeordneten Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten wird das Gehäuse 152 bei der Montage der elektrochemischen Vorrichtung 100 auf das Versorgungssystem 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 aufgesetzt und mittels Befestigungsschrauben, welche die Befestigungsmittel-Durchtrittsöffnungen 168 des Gehäuses 152 durchsetzen und in die Befestigungsmittel-Löcher 190 des Versorgungssystems 118 eingreifen, lösbar an dem Versorgungssystem 118 festgelegt.
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Dabei tritt der Vorsprung 192 mit der Dichtung 120 durch die Eintrittsöffnung 180 in das Gehäuse 152 ein und hebt das Anschlusselement 106 des Stapels 102 von dem Anschlag 162 ab, unter zusätzlicher Kompression des Spannelements 170, so dass der Stapel 102 im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 unter einer gegenüber der anfänglichen Einspannkraft erhöhten Betriebseinspannkraft verspannt ist und das Anschlusselement 106 des Gehäuses 152 unter einer der Betriebseinspannkraft entsprechenden Dichtkraft gegen die Dichtung 120 gepresst wird.
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Das Spannelement 170 dient somit zugleich als Betriebsfedervorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung 100; ein Umspannen von dem Spannelement 170 zu einer anderen Betriebsfedervorrichtung ist nicht vorgesehen.
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Eine in den 5 und 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Vorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Anschlusselement 106 bei dieser Ausführungsform nicht relativ zu dem Gehäuse 152 beweglich in dessen Innenraum 174 angeordnet ist, sondern an den Wänden des Gehäuses 152 festgelegt ist, beispielsweise an den der Stirnwand 154 abgewandten Enden der Seitenwände 156 des Gehäuses 152, und den Innenraum 174 des Gehäuses 152 verschließt.
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Das Anschlusselement 106 kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise mit Wänden, insbesondere mit den Seitenwänden 156, des Gehäuses 152 verschraubt sein.
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Der Stapel 102 aus elektrochemischen Einheiten und das Abschlusselement 110 werden bei dieser Ausführungsform sowohl im Transportzustand (siehe 5) als auch im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 (siehe 6) durch das elastische Spannelement 170 gegen das Anschlusselement 106 verspannt, so dass bei dieser Ausführungsform das Anschlusselement 106 als Anschlag 162 für den Stapel 102 dient.
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Die im Transportzustand wirkende anfängliche Einspannkraft ist dabei im Wesentlichen gleich groß wie die im Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung 100 wirkende Betriebseinspannkraft, da der Verformungsgrad des Spannelements 170 bei dieser Ausführungsform während der Montage des Gehäuses 152 an dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 nicht verändert wird.
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Das Anschlusselement 106 des Gehäuses 152 kann beispielsweise durch Verschraubung mit dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbunden werden.
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Wie bei der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform kann zwischen dem Anschlusselement 106 des Gehäuses 152 und dem Anschlusselement 188 des Versorgungssystems 118 eine Dichtung 120, beispielsweise aus Glimmer oder aus einem Vliesmaterial, welche vorzugsweise Durchtrittsöffnungen 122 für die dem Stapel 102 zuzuführenden Medien und für die aus dem Stapel 102 abzuführenden Medien enthält, die mit den Mediumanschlüssen 184 des Anschlusselements 188 des Versorgungssystems 118 und mit den Mediumkanälen 114 des Anschlusselements 106 des Gehäuses 152 fluchten, angeordnet sein.
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Im Vergleich zur ersten Ausführungsform muss bei dieser zweiten Ausführungsform die anfängliche Einspannkraft höher ausgelegt werden, da beim Festlegen des Gehäuses 152 an dem Versorgungssystem 118 der elektrochemischen Vorrichtung 100 keine Erhöhung der Einspannkraft eintritt, so dass die Betriebseinspannkraft im Wesentlichen der anfänglichen Einspannkraft entspricht.
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Im Übrigen stimmt die in den 5 und 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
