DE112014006238B4

DE112014006238B4 - Brennstoffzellenstapel, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt

Info

Publication number: DE112014006238B4
Application number: DE112014006238.3T
Authority: DE
Inventors: J. Carnevale Christopher; Jeffrey G. Lake
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2034-03-22
Also published as: US10199673B2; WO2015142349A1; US20170098852A1; DE112014006238T5

Abstract

Brennstoffzellenstapel (30) zur Erzeugung von Elektrizität durch Reduktion von Fluid- und Verarbeiten von Oxidationsmittelströmungen, wobei der Brennstoffzellenstapel (30) aufweist:
a. eine Mehrzahl an benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen (32), um einen Reaktionsabschnitt (34) des Brennstoffzellestapels (30) zu formen, wobei die Mehrzahl an Brennstoffzellen (32) eine Endzelle (36) an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts (34) des Brennstoffzellen (32) eine Endzelle (36) an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts (34) des Brennstoffzellenstapels (30) umfasst:
b. einen neben der Endzelle (36) gesicherten Endplattenaufbau (38), der Aufbau umfasst:
i. einen Stromkollektor (40,140), gesichert neben und in elektrischer Kommunikation mit der Endzelle (36);
ii. eine neben dem Stromkollektor (40,140) gesicherte und über der Endzelle (36) liegende, elektrische nicht-leitende Druckplatte (42, 54), wobei die Druckplatte (42, 54) eine neben dem benachbarten Stromkollektor (40, 140) gesicherte Stromkollektorkontaktoberfläche (44) und eine gegenüberliegende obere Oberfläche (46) definiert, wobei die obere Oberfläche (46) einen Federplattenstützbereich (48,112) umfasst, welcher festgelegt ist zwischen mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen (50,52) in der oberen Oberfläche (46), wobei der Federplattenstützbereich (48, 112) koextensiv mit einem Zentralabschnitt (68) einer durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegten Ebene ist, wobei der durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegte Zentralabschnitt (68) zwischen vierzig Prozent und siebzig Prozent des Planarbereichs (70) umfasst, welcher durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegt ist, wobei die Durchbiegungsausnehmungen (50,52) festgelegt sind zwischen Außenkanten (66A, 66B) der Druckplatte (42, 54) und dem Federplattenstützbereich (48, 112) der Druckplatte (42, 54);
iii. eine verjüngende Federplatte (72,78), die mindestens drei Spannstangenextensionen (74,76) umfasst, welche Durchbohrungen (88, 92) definieren, die ausgestaltet sind, um Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) benachbart neben den Durchbiegungsausnehmungen (50,52) an den Außenkanten (66A, 66B) der Druckplatte (42, 54) aufzunehmen und zu sichern, wobei die mindestens drei Spannstangenextensionen (74,76) sich von einer Mittelselektion der verjüngend Federplatte (72,78) aus erstrecken, und wobei sich die mindestens drei Spannstangenextension (74,76) in der Dicke so verjüngen, dass ein dünnster Abschnitt jeder der Spannstangenextensionen (74,76) benachbart ist zu den Durchbohrungen (88, 92), und so, dass ein dickster Abschnitt (102) jeder der Spannstangenextensionen (74,76) benachbart ist zu der Mittelsektion (96) der verjüngenden Federplatte (72,78), wobei die verjüngende Federplatte (72,78) so ausgestaltet ist, dass die Mittelsektion (96) der Federplatte (78) zwischen achtzig Prozent und einhundert Prozent des Zentralabschnitts (68) der durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) definierten Ebene (64) überlagert, und wobei die verjüngende Federplatte (72,78) ebenfalls so ausgestaltet ist, dass die Mittelselektion der Federplatte (72,78) den Federplattenstützbereich (48, 112) kontaktiert und jede der mindestens drei Spannungsstangenextensionen sich über eine der Durchbiegungsausnehmungen (50,52) erstreckt, um einen Spalt zwischen der Spannstangenextension (74,76) und der Durchbiegungsausnehmung (50,52) festzulegen;
iv. die sich verjüngende Federplatte (72,78) ist ausgestaltet, eine vorbestimmte Biegefestigkeit zu besitzen, um eine vorbestimmte Belastung durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) auf den Brennstoffzellenstapel (30) auszuüben, wobei die Federplatte (72,78) ebenfalls ausgestaltet ist, eine adäquate Flexibilität zu besitzen, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels (30) innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels (30) zu erlauben, während die vorbestimmte Belastung auf dem Brennstoffzellenstapel (30) beibehalten bleibt; und
v. der Spalt (104) zwischen den Durchbiegungsausnehmungen (50,52) und den Spannungsstangenextensionen festgelegt ist, eine adäquate Biegung der Spannungsstangenextensionen innerhalb des Spalts zu erlauben, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels (30) innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels zu erlauben, während die Ausübung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel (30) von der sich verjüngenden Federplatte (72,78) mittels der Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) beibehalten wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Brennstoffzellen, die sich eignen für den Einsatz in Transportfahrzeugen, in tragbaren Kraftwerken, oder als stationäre Kraftwerke, und diese Offenbarung bezieht sich insbesondere auf einen Brennstoffzellenstapel, der einen Endplattenaufbau mit einer eine Druckplatte überlagernden, sich verjüngenden Federplatte besitzt.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind wohlbekannt und werden üblicherweise genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen durch Reduzieren und Oxidieren von Reaktionsmittelfluiden, um elektrische Apparate wie Apparate an Bord von Raumfahrzeugen, Transportfahrzeugen, oder wie Vor-Ort-Generatoren für Gebäude anzutreiben. Eine Mehrzahl an planaren Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Zellenstapel arrangiert, umgeben von einer elektrisch isolierenden Rahmenstruktur, die Verteiler besitzt, um Fluss von Reduktions-, Oxidations-, Kühlungs- und Produktfluiden als Teil eines Brennstoffzellenkraftwerks zu verteilen. Jede individuelle Brennstoffzelle umfasst im Allgemeinen eine Anoden-Elektrode und eine Kathoden-Elektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Eine Brennstoffzelle kann zusätzlich eine Wassertransportplatte, oder eine Trennplatte umfassen, wie allgemein bekannt ist.
Der Brennstoffzellenstapel produziert Elektrizität durch Reduktion von Fluid- und Verarbeiten von Oxidationsmittelströmungen. Wie in der vereinfachten schematischen Zeichnung eines aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenstapels in 1 gezeigt ist, umfasst der aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellenstapel 10 einen Reaktionsabschnitt 12, der aus einer Mehrzahl an benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen 14 geformt ist, die Elektrizität in einer bekannten Weise produzieren. Die Mehrzahl an Brennstoffzellen 14 umfasst eine erste Endzelle 16 und eine gegenüberliegende zweite Endzelle 18 an gegenüberliegenden Enden des Reaktionsabschnitts 12 des Brennstoffzellenstapels 10. Erste und zweite Druckplatten 20, 22 liegen über den Endzellen 16, 18 und die Druckplatten 20, 22 sind typischerweise durch eine Mehrzahl an Spannstangen-Mutter-Anordnungen (nicht gezeigt) aneinander gesichert, um eine kompressible Belastung auf den Stapel auszuüben, um eine Mehrzahl an Kompressions-Dichtungen (nicht gezeigt) innerhalb des Stapels 10 abzudichten. Die meisten bekannten Druckplatten 20, 22 sind aus großen, leitfähigen Metallmaterialien hergestellt.
Während des Betriebs solcher Brennstoffzellenstapel 10 resultiert die Erzeugung von Wärme durch den Stapel 10 und Fluss von komprimierten Fluiden durch den Stapel 10 in einer Expansion und Kontraktion der Abmessungen des Stapels 10 innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels 10. Um eine Expansion des Stapels 10 innerhalb solcher Grenzen zu erlauben, setzen daher bekannte Brennstoffzellenstapel 10 ein System für das Beibehalten der Belastungsnachverfolgung ein. Belastungsnachverfolgung ist diejenige Distanz, bei der eine Druckplatte die Belastung aufrecht erhält, während der Brennstoffzellenstapel wandert. In einer Ausgestaltung ohne Belastungsnachverfolgung, beispielsweise wenn eine initiale Belastung 413685,55 Pascal (entspricht 60 Pfund pro Quadratinch („PSI“)) betrug und der Stapel wanderte, könnte die Belastung ausfallen oder nachlassen. Wenn der Brennstoffzellenstapel beispielsweise 0,00127 Meter (entspricht 0,050 Inch) wanderte, würde die Belastung 344738 Pascal (entspricht 50 PSI) sein. Eine Belastungsnachverfolgungsdistanz ist die Distanz, die der Stapel wandern kann, während die Belastung ungefähr konstant bleibt. („Ungefähr konstant“ soll bedeuten, dass eine Steigung der Belastungsabnahme als Funktion der Stapelwanderung erheblich reduziert ist).
Ein gewöhnliches Belastungsnachverfolgungsystem umfasst eine oder mehrere Tellerfedern (nicht gezeigt), gesichert an jede Spannstange des Stapels 10, zwischen einer Spannstangensicherungsmutter (nicht gezeigt) und den Druckplatten 20, 22. Solch ein Belastungsnachverfolgungssystem stellt eine begrenzte Expansion innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels 10 zur Verfügung, während eine konstante Minimalbelastung auf den Stapel 10 ausgeübt bleibt. Um ein effektives Belastungsnachverfolgungssystem zu verwirklichen, haben bekannte Brennstoffzellenstapel 10 traditionell große, schwere metallische Druckplatten 20, 22 als Teil des Belastungsnachverfolgungssystems eingesetzt.
Solche bekannte Brennstoffzellenstapel 10 haben viele Probleme in Bezug auf eine hohe Wärmekapazität der großen Druckplatten 20, 22 hervorgerufen. Beispielsweise werden dem Brennstoffzellenstapel 10 während eines „bootstrap“ Startes ausgehend von Bedingungen unterhalb des Gefrierpunktes vorzugsweise keine unterstützend heizende Fluide zugeführt, während den Brennstoffzellen 14 ein Reduktionsfluid, wie beispielsweise Wasserstoff und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft zugeführt wird. In einer Brennstoffzelle 14, welche eine Protonen-Austausch-Membran („PEM“) als Elektrolyt einsetzt, reagiert der Wasserstoff elektro-chemisch an einer Katalysatoroberfläche einer Anodenelektrode, um Wasserstoff-Ionen und Elektronen zu produzieren. Die Elektronen werden an einen externen Lastkreis geleitet und dann zu der Kathoden-Elektrode zurückgeführt, während die Wasserstoff-Ionen durch das Elektrolyt der Kathoden-Elektrode transferiert werden, wo sie mit dem Oxidationsmittel und Elektronen reagieren, um Wasser zu produzieren und um Wärmeenergie freizugeben. Durch die Brennstoffzelle 14 erzeugte Elektrizität fließt in und/oder durch die leitfähigen Druckplatten 20, 22.
Während solch eines „bootstrap“ Startes steigen die Brennstoffzellen 14, welche sich in einer zentralen Region des Stapels 10 befinden, schnell in ihrer Temperatur an verglichen mit den Endzellen 16, 18, welche an gegenüberliegenden Enden des Stapels 10 angrenzen. Die Endzellen 16, 18 erwärmen sich langsamer, weil die durch die Endzellen 16, 18 generierte Wärme rapide in die großen, leitfähigen metallischen Druckplatten 20, 22 geleitet wird. Wenn eine Temperatur der Endzellen 16, 18 nicht schnell auf über 0 Grad Celsius („0°C“) erhöht wird, wird Wasser in Wassertransportplatten innerhalb des Stapels 10 gefroren bleiben, wodurch die Abfuhr des Produktes Wasser verhindert wird, was in einem Fluten der Endzellen 16, 18 mit dem Brennstoffzellenprodukt Wasser resultiert. Das Fluten der Endzellen 16, 18 hemmt die Reaktionsfluide, die Katalysatoren der Endzellen 16, 18 zu erreichen und könnte in einer negativen Spannung in den Endzellen 16, 18 resultieren. Die negative Spannung in den Endzellen 16, 18 kann in einer Wasserstoff-Gas-Entwicklung an den Kathoden-Elektroden und/oder in einer Korrosion von Kohlenstoffstützlagen von Elektroden der Zellen 16, 18 resultieren. Solche Vorkommnisse würden die Leistung und die Langzeitstabilität des Brennstoffzellenstabes 10 herabsetzen.
Viele Bemühungen wurden unternommen, um solche Probleme zu lösen. Beispielsweise offenbart US 6,764,786 B2 eine Druckplatte, die aus einem elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Komposit-Material hergestellt ist, so dass diese Druckplatte leicht ist, kompakt ist und eine niedrige Wärmekapazität besitzt. Ähnlich dazu offenbart US 6,824,901 B2 einen Brennstoffzellenstapel, der thermisch isolierende Abstandshalter zwischen den Druckplatten und den Endzellen besitzt. Neueren Datums offenbart US 8,354,197 B2 einen integrierten Endplattenaufbau, der einen Stromkollektor und eine elektrisch nicht-leitende Druckplatte einsetzt. Ein Rückgrat sitzt innerhalb einer zentralen Rückgratstützebene und umgebenden Biegungsebenen, und das „hundeknochenartig“-geformte Rückgrat umfasst Spannstangenenden mit Durchbohrungen, die eine Biegung der Spannstangenenden in den Biegungsebenen erlauben, um eine begrenzte Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels zu erlauben, während eine vordefinierte Belastungsnachverfolgung beibehalten wird. Obwohl diese Ausgestaltung begrenzte Expansion und Kontraktion der Brennstoffzellen des Stapels erlaubt, muss unglücklicherweise die Druckplatte ziemlich dick sein, um eine gleichmäßige Ausübung der Belastungsnachverfolgung zu erzielen, um die benötigte Festigkeit zu erreichen, um eine gleichmäßige Anwendung der Belastung auf die Brennstoffzellen auszuüben. Dies limitiert die Effizienz der Lake et. al.-Ausgestaltung substantiell.
Alle diese Patente gehören dem Rechtsnachfolger von allen Rechten an der vorliegenden Offenbarung. Während bekannte Brennstoffzellenstapel solche Probleme in Bezug auf die hohe Wärmekapazität von großen, metallischen Druckplatten limitiert haben, zeigen solche Brennstoffzellenstapel noch immer substantielle Herausforderungen für einen effizienten Betrieb auf, insbesondere bei PEM-Elektrolyt-basierenden Brennstoffzellen innerhalb von Brennstoffzellenstapeln, die zahlreichen Start-Stopp-Zyklen in variierenden Umgebungskonditionen unterliegen, wie beispielsweise beim Antrieb von Transportfahrzeugen.
Die KR 10 2007 0 052 798 A offenbart eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist, nicht nur auf die Neigung der Endfläche des Zellenlaminats, sondern auch auf die Dehnung des Zellenlaminats in Richtung der Stapelung der Brennstoffzelle zu reagieren, und eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die in der Lage ist, die Klemmlast über die Fläche der Brennstoffzelle zu verringern. Die Brennstoffzelle umfasst ein Zellenlaminat, welches ein relativ geneigtes erstes Element und ein zweites Element sowie ein Federmodul umfasst, das in Reihe mit dem Zellenlaminat angeordnet ist und eine Vielzahl von Federn enthält, die zwischen dem ersten und dem zweiten Element angeordnet sind.
Die US 2010 / 0 167 156 A1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit integrierter Endplattenbaugruppe mit Stromkollektor, der angrenzend an einer Endzelle des Stapels befestigt ist, einer Druckplatte, die angrenzend an den Stromkollektor befestigt ist, und einem Rückgrat, das in einer in der Platte definierten Rückgrat-Stützebene befestigt ist. Die Zugstangenenden des Rückgrats erstrecken sich über einen Spalt, der zwischen der Rückgrat-Trägerebene und einer in der Druckplatte definierten Ablenkungsebene definiert ist, so dass sich die Zugstangenenden beim Anziehen der Zugstangen in dem Spalt ablenken. Die Durchbiegung des Rückgrats ermöglicht es dem Rückgrat, eine begrenzte Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels während des Betriebs zuzulassen, und das Rückgrat hat eine ausreichende Biegefestigkeit, um eine Ausdehnung des Stapels über die dynamischen Betriebsgrenzen des Stapels hinaus zu verhindern.
Die GB 2 501 697 A offenbart eine Brennstoffzellenstapelanordnung, die eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel umfasst. Der Stapel ist durch zwei gegenüberliegende parallele Endflächen definiert, an welchen eine Endplattenanordnung vorgesehen ist. Die Endplattenbaugruppen sind miteinander gekoppelt, um so die Brennstoffzellen im Stapel unter Druck zu halten.
Die US 2014 / 0 127 555 A1 offenbart eine elektrische Speichervorrichtung, welche eine Vielzahl von Speichermodulen und eine erste Speichermodul-Sammelschiene umfasst.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis an einem Brennstoffzellenstapel, der Endzellen besitzt, wobei während des Startes unter Bedingungen unterhalb des Gefrierpunktes die Temperaturen der Endzellen so schnell wie möglich auf über 0°C erhöht werden können, und der zusätzlich ein effizientes Belastungsnachverfolgungssystem bereitstellt.
Kurzfassung
Diese Offenbarung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt. Der Endplattenaufbau umfasst eine neben einem Stromkollektor gesicherte Druckplatte und die Druckplatte definiert einen Federplattenstützbereich, der koextensiv zu einem Zentralabschnitt einer durch eine obere Oberfläche der Druckplatte festgelegten Ebene ist. Die sich verjüngende Federplatte umfasst eine Mittelsektion, die so dimensioniert ist, um zwischen ungefähr achtzig Prozent und ungefähr einhundert Prozent des Zentralabschnitts der durch die obere Oberfläche definierten Ebene der Druckplatte zu überlagern. Spannstangenextensionen der Federplatte erstrecken sich von der Mittelsektion aus, um Durchbiegungsausnehmungen zu überlagern, welche an der oberen Oberfläche der Druckplatte festgelegt sind. Die Federplatte definiert Minimaldicken neben Durchbohrungen in den Spannstangenextensionen und die Mittelsektion der Federplatte definiert eine Maximaldicke der Federplatte. Die Dicke der Platte verjüngt sich gleichmäßig in einer ungestuften Weise von der dicken Mittelsektion zu den dünnen, die Durchbiegungsausnehmungen überlagernden Spannstangenextensionen an den Durchbohrungen. Dies stellt eine signifikante Biegung der Spannstangenenden während der Expansion und Kontraktion der Brennstoffzellen während des Langzeitbetriebs bereit. Als Antwort auf die Biegungen üben die Spannstangenextensionen eine gleichmäßige Belastungsnachverfolgung über die dicke Mittelsektion der Federplatte auf zwischen 80% und 100% des Zentralabschnitts der Druckplatte aus, um dadurch eine annähernd gleichförmige oder planare Belastungsnachverfolgung auf die durch die Brennstoffzellen des Stapels definierten Ebenen auszuüben. Umgekehrt befähigt dies die Benutzung einer Druckplatte und einer Federplatte, die dünner sind, und die eine gleichmäßigere Belastungsnachverfolgung ausüben, als irgendwelche anderen aus dem Stand der Technik bekannten Endplattenaufbauten.
Insbesondere umfasst die Offenbarung einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von Elektrizität durch Reduktion von Fluid- und Verarbeiten von Oxidationsmittelströmungen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl an benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen, um einen Reaktionsabschnitt des Brennstoffzellenstapels zu formen, und die Mehrzahl an Brennstoffzellen umfasst ebenfalls eine Endzelle an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts des Brennstoffzellenstapels. Der Endplattenaufbau ist neben der Endzelle gesichert, und der Aufbau umfasst einen Stromkollektor gesichert benachbart und in elektrischer Kommunikation mit der Endzelle. Der Endplattenaufbau umfasst ebenso die neben dem Stromkollektor gesicherte und über der Endzelle liegende elektrisch nicht-leitende Druckplatte. Die Druckplatte definiert eine neben dem benachbarten Stromkollektor gesicherte Stromkollektorkontaktoberfläche und definiert ebenso eine gegenüberliegende obere Oberfläche der Druckplatte. Die obere Oberfläche umfasst den Federplattenstützbereich, welcher festgelegt ist zwischen mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen in der oberen Oberfläche. Der Federplattenstützbereich ist koextensiv mit dem Zentralabschnitt einer durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegten Ebene. Der Zentralabschnitt der durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegten Ebene umfasst zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent des Planarbereichs, welcher durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegt ist. Die Durchbiegungsausnehmungen sind festgelegt zwischen einem Umfang der Druckplatte und dem Federplattenstützbereich der Druckplatte.
Die sich verjüngende Federplatte umfasst mindestens drei Spannstangenextensionen, welche Durchbohrungen definieren, die ausgestaltet sind, um Spannstangen-Mutter-Anordnungen benachbart neben den Durchbiegungsausnehmungen an dem Umfang der Druckplatte aufzunehmen und zu sichern. Die mindestens drei Spannstangenextensionen erstrecken sich von einer Mittelsektion der sich verjüngenden Federplatte aus, und die Spannstangenextensionen verjüngen sich in der Dicke, so dass ein dünnster Abschnitt jeder der Spannstangenextensionen benachbart ist zu den Durchbohrungen, und so, dass ein dickster Abschnitt jeder der Spannstangenextensionen benachbart ist zu der Mittelsektion der sich verjüngenden Federplatte.
Die sich verjüngende Federplatte ist so ausgestaltet, dass die Mittelsektion der Federplatte zwischen ungefähr achtzig Prozent und ungefähr einhundert Prozent des Zentralabschnitts der durch die obere Oberfläche definierten Ebene der Druckplatte überlagert. Die sich verjüngende Federplatte ist ebenfalls so ausgestaltet, dass die Mittelsektion der Federplatte den Federplattenstützbereich kontaktiert. Zusätzlich erstreckt sich jede der mindestens drei Spannstangenextensionen über eine der Durchbiegungsausnehmungen hinaus, um einen Spalt zwischen der Spannstangenextension und der Durchbiegungsausnehmung festzulegen. Die sich verjüngende Federplatte ist ebenfalls ausgestaltet, eine vorbestimmte Biegefestigkeit zu besitzen, um dadurch eine vorbestimmte Belastung durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben. Die Federplatte ist ebenfalls ausgestaltet, eine adäquate Flexibilität durch die Spannstangenextensionen zu besitzen, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels zu erlauben, während die vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellenstapel beibehalten bleibt. Der Spalt zwischen den Durchbiegungsausnehmungen und den Spannstangenextensionen ist festgelegt, um eine adäquate Biegung der Spannstangenextensionen innerhalb des Spalts zu erlauben, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels zu erlauben, während die Anwendung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel von der sich verjüngenden Federplatte durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen beibehalten wird.
In einem Aspekt der Offenbarung des Brennstoffzellenstapels umfasst eine Dicke der Mittelsektion der sich verjüngenden Federplatte eine Maximaldicke der Federplatte und umfassen jede der mindestens drei Spannstangenextensionen neben den Durchbohrungen eine Minimaldicke der Federplatte. Die Minimaldicke der Federplatte beträgt zwischen ungefähr dreißig Prozent und ungefähr siebzig Prozent der Maximaldicke der Federplatte. In einem weiteren Aspekt des Brennstoffzellenstapels beträgt die Minimaldicke der Federplatte zwischen ungefähr fünfzig Prozent und ungefähr sechzig Prozent der Maximaldicke der Federplatte. Zusätzlich verjüngen sich Dicken der Federplatte gleichmäßig in einer ungestuften Weise zwischen den Federplattenbereichen der Maximaldicke und der Minimaldicke.
In einer anderen Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels sind mindestens zwei Ausrichtzapfen an den Federplattenstützbereich der Druckplatte gesichert und erstrecken sich ausgehend von der Stützoberfläche in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche wegweisenden Richtung. Zusätzlich ist mindestens ein Ausrichtschlitz in der sich verjüngenden Federplatte definiert und derart dimensioniert, um einen von einem ersten Ausrichtzapfen der Druckplatte und einem ersten und zweiten Ausrichtzapfen der Druckplatte aufzunehmen. Der Ausrichtschlitz und die Ausrichtzapfen sind ausgestaltet, um die Federplatte in einer festen Ausrichtung neben dem Federplattenstützbereich der Druckplatte zu sichern, so dass die Federplatte nicht relativ zur Druckplatte rotieren kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels ist eine Extensionenführung neben jeder der mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen gesichert. Jede Extensionenführung erstreckt sich ausgehend von der oberen Oberfläche der Druckplatte in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche wegweisenden Richtung. Die Extensionenführungen und die Spannstangenextensionen sind gemeinsam derart ausgestaltet, so dass die Spannstangenextensionen die Extensionsführungen kontaktieren, um eine Bewegung der sich verjüngenden Federplatte in einer parallelen Richtung zu der durch die obere Oberfläche der Druckplatte definierten Ebene zu unterbinden.
Ein anderer Aspekt des Brennstoffzellenstapels ist es, dass eine minimale planare Querschnittsfläche der sich verjüngenden Federplatte in einer Ebene parallel zu der durch die obere Oberfläche definierten Ebene um ungefähr fünfundsechzig Prozent größer ist als ein Bereich einer Ebene, die koextensiv mit und parallel zu der oberen Oberfläche der Druckplatte ist.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ebenso ein Verfahren zum dynamischen Sichern von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst ein Definieren des Federplattenstützbereiches der oberen Oberfläche der Druckplatte zwischen den mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen, so dass der Federplattenstützbereich koextensiv mit dem Zentralabschnitt der durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegten Ebene ist, wobei der durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegte Zentralabschnitt zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent eines Zentralbereichs der durch die obere Oberfläche der Druckplatte definierten Ebene umfasst. Das Verfahren umfasst ebenso ein Sichern der Stromkollektorkontaktoberfläche der Druckplatte neben dem Stromkollektor; ein Sichern des Stromkollektors neben der Endzelle des Brennstoffzellenstapels; ein Sichern von Spannstangen-Mutter-Anordnungen durch die Durchbohrungen der Spannstangenextensionen der sich verjüngenden Federplatte so, dass die Mittelsektion der Federplatte den Federplattenstützbereich der oberen Oberfläche der Druckplatte kontaktiert und so, dass die Federplatte einen Bereich der Druckplatte überlagert, der mindestens ungefähr fünfundsechzig Prozent eines Bereichs einer Ebene beträgt, die koextensiv mit und parallel zu der oberen Oberfläche der Druckplatte ist.
Das Verfahren umfasst zusätzlich ein Biegen der Spannstangenextensionen der sich verjüngenden Federplatte innerhalb des zwischen den Durchbiegungsausnehmungen der Druckplatte und den Spannstangenextensionen der sich verjüngenden Federplatte festgelegten Spalts durch Festziehen der Spannstangen-Mutter-Anordnungen, um eine vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben, um dadurch Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels zu erlauben, unter Beibehaltung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel durch die sich verjüngende Federplatte und durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen.
Das Verfahren kann ebenso die weiteren Schritte des Einstellens des Anzugs der Spannstangen-Mutter-Anordnungen in vorbestimmten Intervallen umfassen, um graduell die Biegung der Spannstangenextensionen innerhalb des Spalts als Antwort auf das Verdünnen der Brennstoffzellen zu verringern, das aus einem umfangreichen Wandern resultiert, um dadurch die vorbestimmte Belastung auf die Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs der Brennstoffzellen aufrechtzuerhalten. Für die vorliegenden Zwecke soll das Wort „ungefähr“ plus oder minus zehn Prozent bedeuten.
Dementsprechend ist es ein genereller Zweck der vorliegenden Offenbarung, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt, welcher die Mängel des Standes der Technik überwindet.
Es ist ein noch genauerer Zweck, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt, der über den Zellenstapel gleichmäßig eine Belastung ausübt und zugleich eine dünne Druckplatte und Federplatte besitzt, und der ein effizientes Belastungsnachverfolgungssystem bereitstellt, um eine begrenzte Expansion und Kontraktion von Zellen in dem Stapel während des Betriebs des Zellenstapels zu bieten.
Diese und andere Zwecke und Vorteile des vorliegenden Brennstoffzellenstapels, welcher einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt, werden noch einfacher erkennbar, wenn die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenstapels.
2 ist eine geschnittene, schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist und der die sich verjüngende Federplatte abgesetzt über einer Druckplatte des Endplattenaufbaus zeigt.
3 ist eine geschnittene, schematische Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels nach 2, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt, wobei die sich verjüngende Federplatte durch Spannstangen-Mutter-Anordnungen an der Druckplatte des Endplattenaufbaus gesichert gezeigt ist.
4 ist eine Perspektivansicht einer Druckplatte des vorliegenden Brennstoffzellenstapels, der einen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt.
5 ist eine Perspektivansicht von oben des vorliegenden Endplattenaufbaus, diese zeigend eine sich verjüngende Federplatte von vorne abgesetzt von einer Druckplatte, und diese zeigend einen Stromkollektor abgesetzt hinter der Druckplatte.
6 ist eine Perspektivansicht von oben des Endplattenaufbaus nach 5, diese zeigend die sich verjüngende Federplatte, Druckplatte und Stromkollektor, aneinander gesichert als ein zusammengesetzter Endplattenaufbau.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Detail bezugnehmend auf die Zeichnungen ist in 2 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gezeigt, der eine Endplatte mit einer sich verjüngenden Federplatte besitzt und der im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 30 bestimmt ist. Der Brennstoffzellenstapel 30 umfasst eine Mehrzahl an benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen 32, um einen Reaktionsabschnitt 34 des Brennstoffzellenstapels 30 zu formen, um Elektrizität zu erzeugen durch Reduktion von Fluid- und Verarbeiten von Oxidationsmittelströmungen. Eine Endzelle 36 ist an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts 34 des Brennstoffzellenstapels 30 gesichert. Der Brennstoffzellenstapel 30 umfasst ebenfalls den neben der Endzelle 36 gesicherten Endplattenaufbau 38.
Der Endplattenaufbau 38 umfasst einen elektrisch leitfähigen Stromkollektor 40, der gesichert ist neben und in elektrischer Kommunikation steht mit der Endzelle 36, um einen Fluss des elektrischen Stromes von den Brennstoffzellen 32, 36 aus dem Stapel 30 herauszuleiten. Der Endplattenaufbau 38 umfasst ebenfalls eine neben dem Stromkollektor 40 gesicherte und über der Endzelle 36 liegende elektrisch nicht-leitende Druckplatte 42. Die Druckplatte 42 definiert eine neben dem benachbarten Stromkollektor 40 gesicherte Stromkollektorkontaktoberfläche 44. Die Druckplatte 42 definiert ebenso eine gegenüberliegende obere Oberfläche 46 der Druckplatte. Die obere Oberfläche 46 umfasst einen Federplattenstützbereich 48, welcher festgelegt ist zwischen mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen 50, 52, die in der oberen Oberfläche 46 definiert sind. 2 zeigt nur zwei Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 an einer Vorderkante der geschnittenen 2-Ansicht der Druckplatte 42. Allerdings zeigt 4 eine perspektivische Ansicht einer rechteckig geformten Druckplatte 54, die vier Durchbiegungsausnehmungen 56, 58, 60 und 62 an vier gegenüberliegenden Ecken der Druckplatte 54 nach 4 besitzt (Es ist zu verstehen, dass die Phrase „mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen“ als ausreichend weit gemeint ist, um irgendwelche Brennstoffzellenstapel mit einzuschließen, die einer zylindrischen Form (nicht gezeigt), einer rechteckigen Form, etc. entsprechen).
Wie am besten in 3 gezeigt ist, definiert die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 eine Ebene 64 parallel zu der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42. Die Ebene 46, welche durch die obere Oberfläche 46 definiert ist, ist ebenfalls koextensiv mit der oberen Oberfläche 46, die sich zwischen den Außenkanten 66A, 66B der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 erstreckt. In der oberen Oberfläche 46 ist der Federplattenstützbereich 48 koextensiv mit einem Zentralabschnitt 68 einer durch die obere Oberfläche der Druckplatte 42 festgelegten Ebene 64. Der Zentralabschnitt 68 der durch die obere Oberfläche der Druckplatte 42 festgelegten Ebene 64 umfasst zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent eines Planarbereichs 70, welcher durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 festgelegt ist. Wie man in 2 und 3 sehen kann, sind die Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 festgelegt zwischen den Außenkanten 66A, 66B der Druckplatte 42 und dem Federplattenstützbereich 48 der Druckplatte 42.
Es sei darauf hingewiesen, dass der „Zentralabschnitt 68“ der Ebene 64 der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definiert ist als ein anteiliger Bereich verglichen mit dem „durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 festgelegten Planarbereich 70“, weil die physikalisch obere Oberfläche 46 nicht notwendigerweise planar ist. Wie in 4 - 6 gezeigt ist, besteht die obere Oberfläche 46 der Druckplatte meistens aus strukturellen Rippen und erhabenen Kanten zum Zwecke der Maximierung einer Tragfähigkeit unter Minimierung von Dicken und Anteilen an eingesetztem Material bei der Herstellung der Druckplatte 42. Insbesondere umfasst der „Zentralabschnitt 68“ der Ebene 64 der oberen Oberfläche zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent eines Planarbereichs 70 der oberen Oberfläche 46, wobei der Zentralabschnitt 68 ungefähr abstandsgleich von den Außenkanten 66A, 66B der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 angeordnet ist.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, umfasst der Endplattenaufbau 38 ebenfalls eine sich verjüngende Federplatte 72, die mindestens drei Spannstangenextensionen 74, 76 besitzt. 2 und 3 zeigen lediglich zwei Spannstangenextensionen 74, 76. Allerdings umfasst eine andere oder zweite sich verjüngende Federplatte 78, wie sie in 5 und 6 gezeigt ist, vier Spannstangenextensionen 80, 82, 84 und 86. In der sich verjüngenden Federplatte nach den 2 und 3 definiert die erste Spannstangenextension 74 eine erste Durchbohrung 88 zur Aufnahme und Sicherung einer Spannstangen-Mutter-Anordnung 90 (nur in 3 gezeigt), und die zweite Spannstangenextension 76 definiert eine zweite Durchbohrung 92 zur Aufnahme und Sicherung einer zweiten Spannstangen-Mutter-Anordnung 94. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94 ausgestaltet, um neben den Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 an den Außenkanten 66A, 66B der Druckplatte 42 angeordnet zu sein.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, erstrecken sich die Spannstangenextensionen 74, 76 von einer Mittelsektion 96 der sich verjüngenden Federplatte 72 aus. Die Mittelsektion 96 ist festgelegt, um zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent eines Bereichs einer Oberseite 98 der sich verjüngenden Federplatte 72 zu umfassen, wobei die Mittelsektion 96 ungefähr abstandsgleich von den Durchbohrungen 88, 92 angeordnet ist. Die Spannstangenextensionen 74, 76 verjüngen sich in der Dicke so, dass ein dünnster Abschnitt 100 oder eine Minimaldicke 100 der ersten Spannstangenextension 74 neben der ersten Durchbohrung 88 angeordnet ist, und so, dass ein dickster Abschnitt 102 der ersten Spannstangenextension 74 neben der Mittelsektion 96 der sich verjüngenden Federplatte 72 angeordnet ist. Das gleiche Verjüngen erfolgt auch bei allen anderen Spannstangenextensionen 76 (in 2 und 3) und Spannstangenextensionen 80, 82, 84, 86 in 5 und 6.
Die sich verjüngende Federplatte 72 ist so ausgestaltet, dass die Mittelsektion 96 der Federplatte 72 zwischen ungefähr achtzig Prozent und ungefähr einhundert Prozent des Zentralabschnittes 68 der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Ebene 64 überlagert. Die sich verjüngende Federplatte 72 ist ebenfalls so ausgestaltet, dass die Mittelsektion 96 der Federplatte 72 den Federplattenstützbereich 48 kontaktiert. Zusätzlich erstreckt sich jede der Spannstangenextensionen 74, 76 der Federplatte 72 über eine der Durchbiegungsausnehmungen 50, 52, um einen Spalt 104 festzulegen, wie in 3 in Bezug auf den Spalt 104 zwischen der ersten Spannstangenextension 74 und der ersten Durchbiegungsausnehmung 50 gezeigt ist.
Wie oben zusammengefasst wurde, ist die sich verjüngende Federplatte 72 ebenfalls ausgestaltet, um eine vorbestimmte Biegefestigkeit zu besitzen, um dadurch eine vorbestimmte Belastung durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94 (wie in 3 gezeigt) auf den Stapel an Brennstoffzellen 32 auszuüben. Die Federplatte 72 ist ebenfalls ausgestaltet, um durch die Spannstangenextensionen 74, 76 eine adäquate Flexibilität zu besitzen, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels 30 innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels 30 zu erlauben, während die vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellenstapel 30 beibehalten bleibt. Der zwischen der Durchbiegungsausnehmung 50 und der Spannstangenextensionen 74 liegende Spalt 104 ist festgelegt, eine adäquate Biegung der Spannstangenextension 74 innerhalb des Spalts 104 (gezeigt in 3) zu erlauben, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels 30 innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels 30 zu erlauben, während die Ausübung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel 30 von der sich verjüngenden Federplatte 72 durch die Spannstangen-Mutter-Anordnung 90 beibehalten wird.
In einem Aspekt der Offenbarung des Brennstoffzellenstapels 30 umfasst eine Dicke der Mittelsektion 96 der sich verjüngenden Federplatte 72 eine Maximaldicke 106 der Federplatte 72 und umfassen Dicken von jeder der Spannstangenextensionen 74, 76 neben ihren entsprechenden Durchbohrungen 88, 92 eine Minimaldicke 100 der Federplatte 72. Wie am besten in 2 gezeigt ist, beträgt die Minimaldicke 100 der Federplatte 72 zwischen ungefähr dreißig Prozent und ungefähr siebzig Prozent der Maximaldicke 106 der Federplatte. In einem weiteren Aspekt des Brennstoffzellenstapels 30 beträgt die Minimaldicke 100 der Federplatte zwischen ungefähr fünfzig Prozent und ungefähr sechzig Prozent der Maximaldicke 106 der Federplatte 72. Es sei nochmals herausgestellt, dass sich die Dicken der Federplatte 72 zwischen der Maximaldicke 106 und der Minimaldicke 100 in den Spannstangenextensionen 74, 76 gleichmäßig in einer ungestuften Weise zwischen den Bereichen der Federplatte 72 der Maximaldicke 106 und der Minimaldicke 100 verjüngen.
In einer anderen, am besten in 4 gezeigten Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels 30 sind mindestens zwei Ausrichtzapfen 108, 110 an den Federplattenstützbereich 112 der Druckplatte 54 nach 4 gesichert. Wie in 2 und 3 gezeigt ist, ist lediglich ein Ausrichtzapfen 114 zu sehen und dieser erstreckt sich ausgehend vom Federplattenstützbereich 48 in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche 44 der Druckplatte 42 nach 2 und 3 wegweisenden Richtung. Zusätzlich ist mindestens ein Ausrichtschlitz (Bezugszeichen 116 in 2 und 3, und Bezugszeichen 118 in 5 und 6) in der sich verjüngenden Federplatte festgelegt und, wie in 5 und 6 gezeigt ist, ist er so dimensioniert, um einen von einem ersten Ausrichtzapfen 108 und einem ersten 108 und einem zweiten Ausrichtzapfen 110 der Druckplatte 54 aufzunehmen. Der Ausrichtschlitz 118 und die Ausrichtzapfen 108, 110 sind ausgestaltet, um die Federplatte 78 (5 und 6) in einer festen Ausrichtung neben dem Federplattenstützbereich 112 der Druckplatte 54 zu sichern, so dass die sich verjüngende Federplatte 79 nicht relativ zu der Druckplatte 54 rotieren kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels 30 sind Extensionenführungen neben jeder der Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 (2 und 3), 56, 58, 60, 62 (4 - 6) gesichert. In der Ausführungsform der Druckplatte 54 nach 4 - 6 ist eine erste Extensionenführung 120 neben Durchbiegungsausnehmungen 56 und 62 gezeigt, und eine zweite Extensionenführung 122 ist neben Durchbiegungsausnehmungen 58, 60 gezeigt. In der Ausführungsform der Druckplatte 42 nach 2 und 3 ist eine dritte Extensionenführung 124 neben der Durchbiegungsausnehmung 50 gezeigt und eine vierte Extensionenführung 126 ist neben der Durchbiegungsausnehmung 52 gezeigt. Jede Extensionenführung 124, 126 erstreckt sich ausgehend von der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche 44 wegweisenden Richtung. Die Extensionenführungen 124, 126 und die Spannstangenextensionen 74, 76 (am besten in 2 und 3 gezeigt) sind gemeinsam derart ausgestaltet, dass die Spannstangenextensionen 74, 76 die Extensionenführungen 124, 126 kontaktieren, um eine Bewegung der sich verjüngenden Federplatte 72 in einer Richtung parallel zu der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Ebene 64 zu unterbinden. Die Extensionenführungen 124, 126 können auch geneigt sein, um die Führung der sich verjüngenden Federplatte 72 in eine ordnungsgemäße und sichere Lage neben dem Federplattenstützbereich 48 der Druckplatte 42 während des Zusammenbaus des Endplattenaufbaus 38 zu erleichtern.
Ein anderer Aspekt des vorliegenden Brennstoffzellenstapels 30 ist es, dass eine minimale planare Querschnittsfläche der sich verjüngenden Federplatte 72 in einer Ebene parallel zu der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Ebene 64 um ungefähr fünfundsechzig Prozent größer ist als ein Bereich der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Ebene 64, wobei die Ebene 64 koextensiv mit und parallel zu der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 ist.
Wie oben beschrieben wurde, zeigen 4 - 6 eine alternative oder zweite Ausführungsform der Druckplatte 54, und sie kann ebenfalls Behelfszapfen 128, 130 umfassen, die Fluidtransferanschlüsse in den Zapfen 128, 130 beherbergen, um Reaktionsmittelfluide in und aus den Verteilern (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 30 zu transferieren. 4 zeigt ebenfalls einen ersten Stromschienenanschlusszapfen 132 neben der ersten Extensionenführung 120 und einen zweiten Stromschienenanschlusszapfen 134 neben der zweiten Extensionenführung 122. Die Stromschienenanschlusszapfen 132, 134 helfen, um eine erste Stromschiene 136 und eine zweite Stromschiene 138 (gezeigt in 5 und 6) an den zweiten Stromkollektor 140 nach 5 und 6 und an die zweite oder die Druckplatte 54 nach 5 und 6 zu sichern. Der zweite Stromkollektor 140 umfasst eine erste Biegekante 142 und eine zweite Biegekante 144, die ausgestaltet sind, um die erste Extensionenführung 120 und zweite Extensionenführung 122 der zweiten Druckplatte 54 zu kontaktieren und um daran gesichert zu werden. Die erste und zweite Stromschiene 136, 138 sind entsprechend an die erste und die zweite Biegekante 142, 144 gesichert, um, wie teilweise in 5 und 6 gezeigt ist, Anschlusspunkte bereitzustellen, um den leitfähigen Stromkollektor 140 mit Drähten oder anderen Elektrizitätsleitern (nicht gezeigt) zu verbinden. Der zweite in 5 und 6 gezeigte Stromkollektor 140 kann ebenfalls eine erste Dichtung 146 und eine zweite Dichtung 148 umfassen, die zwischen Seitenkanten des Stromkollektors 140 und der Druckplatte 54 gesichert sind, um die Bewegung von jeglichem Reaktionsmittelfluid durch die Dichtung 146, 148 zwischen dem Stromkollektor 140 und der Druckplatte 54 zu unterbinden. 4 und 5 zeigen ebenfalls eine Mehrzahl an Strukturrippen 150, die obere Oberflächen besitzen, welche den Federplattenstützbereich 112 der zweiten Druckplatte 54 definieren. Wie oben bereits beschrieben wurde, kann der Federplattenstützbereich 112 mit jeglicher Kombination an Strukturrippen 150 oder erhabenen Oberflächenbereichen 48 geformt sein, die dazu dient, die Mittelsektion 96 der sich verjüngenden Federplatte 72 (gezeigt in 2 und 3) zu stützen, so dass die Spannstangenextensionen 74, 76 sich über die Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 erstrecken, welche neben dem Federplattenstützbereich 48 festgelegt sind, um einen Spalt, wie den Spalt 104 zwischen den Spannstangenextensionen 74, 76 und den Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 zu definieren.
Weil die Druckplatten 52, 54 elektrisch nicht-leitend sind, können sie durch Spritzgussprozesse hergestellt werden, die bei der Herstellung von Kunststoffapparaten eingesetzt werden. Die sich verjüngende Federplatte 72 ist vorzugsweise aus einer Metallverbindung hergestellt, und insbesondere ein gießfähiger, rostfreier oder Karbonstahl ist bevorzugt. Exakte Materialwahlen und -dicken werden durch die gewünschten Biegeeigenschaften vorgegeben. Eine spezielle Ausführungsform enthält UNS17400 per ASTM A693 Grad 630, das ausscheidungsgehärtet wurde zu Rockwell C40-C48.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ebenfalls ein Verfahren zum dynamischen Sichern der Brennstoffzellen 32 innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 30. Das Verfahren umfasst das Definieren des Federplattenstützbereichs 48 nach 2 und 3 der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 zwischen den Durchbiegungsausnehmungen 50, 52, so dass der Federplattenstützbereich 48 koextensiv mit dem Zentralabschnitt 68 der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 festgelegten Ebene 64 ist, wobei der Zentralabschnitt 68 der durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Ebene 64 zwischen ungefähr vierzig Prozent und ungefähr siebzig Prozent des durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 definierten Planarbereichs 70 umfasst. Das Verfahren umfasst ebenfalls ein Sichern der Stromkollektorkontaktoberfläche 44 der Druckplatte 42 neben dem Stromkollektor 42; ein Sichern des Stromkollektors 42 neben der Endzelle 36 des Brennstoffzellenstapels 30; ein Sichern von Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94 durch die Durchbohrungen 88, 92 der Spannstangenextensionen 74, 76 der sich verjüngenden Federplatte 72, so dass die Mittelsektion 96 der Federplatte 72 den Federplattenstützbereich 48 der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 kontaktiert und so, dass die Federplatte 72 einen Bereich überlagert, der mindestens ungefähr fünfundsechzig Prozent des durch die obere Oberfläche 46 der Druckplatte 42 festgelegten Planarbereichs 70 beträgt.
Das Verfahren umfasst zusätzlich ein Biegen der Spannstangenextensionen 74, 76 der sich verjüngenden Federplatte 72 innerhalb der zwischen den Durchbiegungsausnehmungen 50, 52 der Druckplatte 42 und den Spannstangenextensionen 74, 76 der sich verjüngenden Federplatte 72 festgelegten Spalte 104 durch Festziehen der Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94, um eine vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellestapel 30 auszuüben, um dadurch Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels 30 innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Stapels 30 zu erlauben, unter Beibehaltung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel 30 durch die sich verjüngende Federplatte 72 mittels der Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94.
Das Verfahren kann ebenfalls die Schritte eines Einstellens des Anzugs der Spannstangen-Mutter-Anordnungen 90, 94 in vorbestimmten Intervallen umfassen, um graduell die Biegung der Spannstangenextensionen 74, 76 innerhalb des Spalts 104 als Antwort auf das Verdünnen der Brennstoffzellen 32 zu verändern, das aus einem umfangreichen Wandern oder einer lateralen Expansion von kompressiblen Komponenten, wie beispielsweise den Dichtungen 146, 144, etc., des Brennstoffzellenstapels 30 resultiert, um dadurch die vorbestimmte Belastung auf die Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs der Brennstoffzellen aufrechtzuerhalten.
In einem beispielhaften Brennstoffzellenstapel, der den beschriebenen Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte einsetzt, hat der Brennstoffzellenstapel eine Belastungsnachverfolgungsdistanz von zwischen ungefähr 6,5 Millimeter („mm“) und 7,0 mm. Demgegenüber ist die Belastungsnachverfolgungsdistanz des Endplattenaufbaus in der oben referenzierten US 8,354,197 B2 von Lake et. al. in einem ähnlich großen Brennstoffzellenstapel ungefähr 3,0 mm. Zusätzlich stellt der vorliegende Endplattenaufbau mit einer sich verjüngenden Federplatte einen dünneren Endplattenaufbau zur Verfügung als derjenige, der in dem vorstehend genannten Lake et. al.-Patent offengelegt ist. Das belastungsausübende „Rückgrat“ des Lake et. al.-Patents und bekannte „federbelastete“ Druckplatten setzen lediglich Arme ein, die sich lediglich zu Spannstangen-Mutter-Anordnungen an Ecken oder Kanten des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Die Arme sind einfach auskragende Träger, die sich entlang einer Achse biegen, welche senkrecht zu einem longitudinalen Träger des Armes ausgerichtet ist. Weil die vorliegende sich verjüngende Federplatte 72 verjüngend gebildet ist und ebenso weil die Federplatte 72 so viel des Planarbereichs des Federplattenstützbereichs 48 der oberen Oberfläche 46 der Druckplatte 42 bedeckt, biegt sich demgegenüber die vorliegende sich verjüngende Federplatte 72 in einer sehr viel komplexeren Form und verteilt sich die Nachverfolgung der Belastung gleichmäßiger über die Druckplatte 42, während sie fähig ist, größere Belastungen zu tolerieren als sich nichtverjüngende Federn und bekannte Endplattenaufbauten, und noch einmal, während sie dünner ist, als bekannte Endplattenaufbauten, die vergleichbare Belastungsnachverfolgungsdistanzen bereitstellen.
Für die hierin genannten Zwecke bedeutet das Wort „ungefähr“ plus oder minus zehn Prozent.
Obwohl die vorliegende Offenbarung in Bezug auf den beschriebenen und illustrierten Brennstoffzellenstapels 30, welcher einen Endplattenaufbau 38 mit einer sich verjüngenden Federplatte 72 besitzt, offenbart wurde, sei zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf diese Alternativen und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise kann diese Offenbarung eingesetzt werden bei Brennstoffzellen, die Phosphorsäurebrennstoffzellen, Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen, etc. umfassen. Dementsprechend sollte vorrangig Bezug genommen werden auf die folgenden Ansprüche als auf die vorstehende Beschreibung, um den Schutzbereich dieser Offenlegung zu ermitteln.

Claims

Brennstoffzellenstapel (30) zur Erzeugung von Elektrizität durch Reduktion von Fluid- und Verarbeiten von Oxidationsmittelströmungen, wobei der Brennstoffzellenstapel (30) aufweist: a. eine Mehrzahl an benachbart zueinander gestapelten Brennstoffzellen (32), um einen Reaktionsabschnitt (34) des Brennstoffzellestapels (30) zu formen, wobei die Mehrzahl an Brennstoffzellen (32) eine Endzelle (36) an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts (34) des Brennstoffzellen (32) eine Endzelle (36) an einem äußeren Ende des Reaktionsabschnitts (34) des Brennstoffzellenstapels (30) umfasst: b. einen neben der Endzelle (36) gesicherten Endplattenaufbau (38), der Aufbau umfasst: i. einen Stromkollektor (40,140), gesichert neben und in elektrischer Kommunikation mit der Endzelle (36); ii. eine neben dem Stromkollektor (40,140) gesicherte und über der Endzelle (36) liegende, elektrische nicht-leitende Druckplatte (42, 54), wobei die Druckplatte (42, 54) eine neben dem benachbarten Stromkollektor (40, 140) gesicherte Stromkollektorkontaktoberfläche (44) und eine gegenüberliegende obere Oberfläche (46) definiert, wobei die obere Oberfläche (46) einen Federplattenstützbereich (48,112) umfasst, welcher festgelegt ist zwischen mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen (50,52) in der oberen Oberfläche (46), wobei der Federplattenstützbereich (48, 112) koextensiv mit einem Zentralabschnitt (68) einer durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegten Ebene ist, wobei der durch die obere Oberfläche der Druckplatte festgelegte Zentralabschnitt (68) zwischen vierzig Prozent und siebzig Prozent des Planarbereichs (70) umfasst, welcher durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegt ist, wobei die Durchbiegungsausnehmungen (50,52) festgelegt sind zwischen Außenkanten (66A, 66B) der Druckplatte (42, 54) und dem Federplattenstützbereich (48, 112) der Druckplatte (42, 54); iii. eine verjüngende Federplatte (72,78), die mindestens drei Spannstangenextensionen (74,76) umfasst, welche Durchbohrungen (88, 92) definieren, die ausgestaltet sind, um Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) benachbart neben den Durchbiegungsausnehmungen (50,52) an den Außenkanten (66A, 66B) der Druckplatte (42, 54) aufzunehmen und zu sichern, wobei die mindestens drei Spannstangenextensionen (74,76) sich von einer Mittelselektion der verjüngend Federplatte (72,78) aus erstrecken, und wobei sich die mindestens drei Spannstangenextension (74,76) in der Dicke so verjüngen, dass ein dünnster Abschnitt jeder der Spannstangenextensionen (74,76) benachbart ist zu den Durchbohrungen (88, 92), und so, dass ein dickster Abschnitt (102) jeder der Spannstangenextensionen (74,76) benachbart ist zu der Mittelsektion (96) der verjüngenden Federplatte (72,78), wobei die verjüngende Federplatte (72,78) so ausgestaltet ist, dass die Mittelsektion (96) der Federplatte (78) zwischen achtzig Prozent und einhundert Prozent des Zentralabschnitts (68) der durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) definierten Ebene (64) überlagert, und wobei die verjüngende Federplatte (72,78) ebenfalls so ausgestaltet ist, dass die Mittelselektion der Federplatte (72,78) den Federplattenstützbereich (48, 112) kontaktiert und jede der mindestens drei Spannungsstangenextensionen sich über eine der Durchbiegungsausnehmungen (50,52) erstreckt, um einen Spalt zwischen der Spannstangenextension (74,76) und der Durchbiegungsausnehmung (50,52) festzulegen; iv. die sich verjüngende Federplatte (72,78) ist ausgestaltet, eine vorbestimmte Biegefestigkeit zu besitzen, um eine vorbestimmte Belastung durch die Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) auf den Brennstoffzellenstapel (30) auszuüben, wobei die Federplatte (72,78) ebenfalls ausgestaltet ist, eine adäquate Flexibilität zu besitzen, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels (30) innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels (30) zu erlauben, während die vorbestimmte Belastung auf dem Brennstoffzellenstapel (30) beibehalten bleibt; und v. der Spalt (104) zwischen den Durchbiegungsausnehmungen (50,52) und den Spannungsstangenextensionen festgelegt ist, eine adäquate Biegung der Spannungsstangenextensionen innerhalb des Spalts zu erlauben, um Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels (30) innerhalb dynamischer Betriebsgrenzen des Brennstoffzellenstapels zu erlauben, während die Ausübung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel (30) von der sich verjüngenden Federplatte (72,78) mittels der Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) beibehalten wird.
Brennstoffzellenstapel (30) nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der Mittelsektion (96) der sich verjüngenden Federplatte (72,78) eine Maximaldicke (106) der Federplatte (72,78) umfasst und Dicken von jeder der mindestens drei Spannstangenextensionen (74,76) neben den Durchbohrungen (88, 92) eine Minimaldicke (100) der Federplatte (72,78) umfassen, und wobei die Minimaldicke (100) der Federplatte (72,78) zwischen dreißig Prozent undsiebzig Prozent der Maximaldicke (106) der Federplatte (72,78) beträgt, und wobei sich Dicken der Federplatte (72,78) gleichmäßig in einer ungestuften Weise verjüngen zwischen den Federplattenbereichen der Maximaldicke (106) und der Minimaldicke (100).
Brennstoffzellenstapel (30) nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Mittelsektion (96) der sich verjüngenden Federplatte (72,78) eine Maximaldicke (106) der Federplatte (72,78) umfasst und Dicken von jeder der mindestens drei Spannungsstangenextensionen neben den Durchbohrungen (88, 92) eine Minimaldicke (100) der Federplatte (72,78) umfassen, und wobei die Minimaldicke (100) der Federplatte (72,78) zwischen fünfzig Prozent und sechzig Prozent der Maximaldicke (106) der Federplatte (72,78) beträgt, und wobei sich Dicken der Federplatte (72,78) gleichmäßig in einer ungestuften Weise verjüngen zwischen den Federplattenbereichen der Maximaldicke (106) und Minimaldicke (100).
Brennstoffzellenstapel (30) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend mindestens zwei Ausrichtzapfen (108,110,114), die an dem Federplattenstützbereich (48, 112) der Druckplatte (42, 54) gesichert sind und sich in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche (44) wegweisenden Richtung ausgehend von der Stützoberfläche erstrecken, mindestens einen in der sich verjüngenden Federplatte (72,78) definierten Ausrichtschlitz (116,118), der dimensioniert ist, um einen von einem ersten Ausrichtzapfen (108,110,114) der Druckplatte (42, 54) und einem ersten und zweiten Ausrichtzapfen (108,110,114) der Druckplatte (42, 54) aufzunehmen, und der ausgestaltet ist, um die Federplatte (72,78) in fester Ausrichtung neben dem Federplattenstützbereich (48, 112) der Druckplatte (42, 54) zu sichern.
Brennstoffzellenstapel (30) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Extensionenführung (120, 122, 124, 126) neben jeder der mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen (50,52), wobei sich jede Extensionenführung (120, 122, 124, 126) ausgehend von der oberen Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) erstreckt in einer von der Stromkollektorkontaktoberfläche (44) wegweisenden Richtung, wobei die Extensionenführungen (120, 122, 124, 126) und Spannstangenextensionen gemeinsam derart ausgestaltet sind, so dass die Spannstangenextensionen die Extensionsführungen kontaktieren, um eine Bewegung der sich verjüngenden Federplatte (72,78) in einer parallelen Richtung zur durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) definierten Ebene (64) zu unterbinden.
Brennstoffzellenstapel (30) nach Anspruch 1, wobei eine minimale planare Querschnittsfläche der sich verjüngenden Federplatte (72,78) in einer Ebene (64) parallel zu der durch die obere Oberfläche (46) definierten Ebene (64) um fünfundsechzig Prozent größer ist als ein Bereich einer Ebene (64), die koextensiv mit und parallel zu der oberen Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) ist.
Verfahren zum dynamischen Sichern von Brennstoffzellen (32) innerhalb eines Brennstoffzellenstapels (30) nach Anspruch 1, dieses aufweisend die Schritte: a. Definieren des Federplattenstützbereichs (48, 112) der oberen Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) zwischen den mindestens drei Durchbiegungsausnehmungen, so dass der Federplattenstützbereich (48, 112) koextensiv mit dem Zentralabschnitt (68) der durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegten Ebene (64) ist, wobei der Zentralabschnitt (68) der durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegten Ebene (64) zwischen vierzig Prozent und siebzig Prozent eines Planarbereichs (70) der oberen Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) umfasst; b. Sichern der Stromkollektorkontaktoberfläche der Druckplatte (42, 54) neben dem Stromkollektor (40,140); c. Sichern des Stromkollektors (40,140) neben der Endzelle (36) des Brennstoffzellenstapels (30); d. Sichern von Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) durch die Durchbohrungen (88, 92) der Spannstangenextensionen (74,76) der sich verjüngenden Federplatte (72,78), so dass die Mittelselektion der sich verjüngenden Federplatte (72,78) den Federplattenstützbereich (48, 112) der oberen Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) kontaktiert, und so, dass die Federplatte (72,78) einen Bereich überlagert, der mindestens fünfundsechzig Prozent des durch die obere Oberfläche (46) der Druckplatte (42, 54) festgelegten Planarbereichs (70) ist; und e. Biegen der Spannstangenextensionen (74,76) der sich verjüngenden Federplatte (72,78) innerhalb des zwischen den Durchbiegungsausnehmungen (50,52) der Druckplatte (42, 54) und den Spannstangenextensionen (74,76) der sich verjüngenden Federplatte (72,78) festgelegten Spalts durch Festziehen der Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94), um eine vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben, um dadurch Expansion und Kontraktion des Brennstoffzellenstapels (30) zu erlauben, unter Beibehaltung der vorbestimmten Belastung auf den Brennstoffzellenstapel (30) durch die sich verjüngende Federplatte (72,78) mittels der Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94).
Verfahren nach Anspruch 7, dieses aufweisend die weiteren Schritte des Einstellens des Anzugs der Spannstangen-Mutter-Anordnungen (90,94) in vorbestimmten Intervallen, um graduell die Biegung der Spannstangenextensionen (74,76) innerhalb des Spalts als Antwort auf das Verdünnen der Brennstoffzellen (32) zu verändern, das aus einem umfangreichen Wandern resultiert, um dadurch die vorbestimmte Belastung auf die Brennstoffzellen (32) in dem Brennstoffzellenstapel (30) während des Betriebs der Brennstoffzellen aufrecht zu erhalten.