DE112005002126B4

DE112005002126B4 - Ausrichtungssystem und -verfahren für sich wiederholende und nicht wiederholende Einheiten in einem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE112005002126B4
Application number: DE112005002126.2T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock; Benno Andreas-Schott; Thomas P. Migliore; Ivan D. Chapman; Matthew J. Beutel; Mark W. Keyser
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: WO2006028785A2; CN101228658B; US7794890B2; WO2006028785A3; US8795921B2; US20100279195A1; CN101228658A; JP2008512829A; DE112005002126T5; US20060051651A1; JP4917035B2

Abstract

Ein Ausrichtungssystem und ein Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels. Bauelemente des Brennstoffzellenstapels weisen innere Ausrichtungsmerkmale auf und werden während der Montage in eine vorbestimmte Orientierung ausgerichtet. Das System und das Verfahren ermöglichen es, Brennstoffzellenstapel innerhalb hoher Toleranzniveaus zu montieren, während der Zugang zu jedem Bauelement während der Montage verbessert wird. Zusätzlich können das System und das Verfahren einem Brennstoffzellenstapel zusätzliche Festigkeit verleihen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel, ein Ausrichtungssystem für einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen werden als Energiequelle in vielen Anwendungen verwendet oder sind dafür vorgeschlagen worden, wie beispielsweise in elektrischen Fahrzeugenergieanlagen, um Brennkraftmaschinen zu ersetzen, und in stationären Anwendungen, um elektrische Energie zu erzeugen. In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-Typ (PEM-Typ) wird Wasserstoff zu der Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff zu der Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA), welche eine dünne, protonendurchlässige, elektrisch nichtleitende, Festpolymerelektrolytmembran umfasst, die den Anodenkatalysator auf einer seiner Oberflächen und den Kathodenkatalysator auf der gegenüberliegenden Oberfläche aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente eingebettet, welche als Stromsammler für die Anode und die Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin enthalten, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre MEA sind in den US-Schriften US 5 272 017 A und US 5 316 871 A beschrieben.
Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um abhängig vom Zusammenhang entweder auf eine einzelne Zelle oder eine Mehrzahl von Zellen Bezug zu nehmen. Eine Mehrzahl von individuellen Zellen ist gemeinsam zusammengebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Jede Zelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels umfasst die vorstehend beschriebene MEA, und jede MEA liefert ihren Spannungszuwachs.
Eine präzise Ausrichtung der Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Orientierung ist wünschenswert. Die Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels sind typischerweise während der Montage ausgerichtet worden, indem äußere Elemente verwendet werden, um die Bauelemente gemäß ihrer entsprechenden Umfänge zu umgeben oder zu umfassen. Derartige äußere Elemente können jedoch den Zugang zu verschiedenen Bauelementen während der Montage beschränken. Zusätzlich werden höhere Toleranzniveaus gewünscht, als durch derartige äußere Elemente bereitgestellt werden können. Demgemäß wäre es wünschenswert, die Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels durch die Verwendung innerer Merkmale auszurichten. Eine solche Ausrichtung ist zum Beispiel in der nachveröffentlichten EP 1 685 615 B1 beschrieben, wobei feststehende Passerstifte in entsprechenden Passeröffnungen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Ausrichtungssystem für einen Brennstoffzellenstapel, einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, bei welchen die Ausrichtung der Bauelemente verbessert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Ausrichtungssystem und ein Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels bereit. Bauelemente des Brennstoffzellenstapels weisen innere Ausrichtungsmerkmale auf und werden während der Montage in eine vorbestimmte Orientierung ausgerichtet. Die Erfindung ermöglicht es, Brennstoffzellenstapel innerhalb hoher Toleranzniveaus zu montieren, während der Zugang zu jedem Bauelement während der Montage verbessert wird. Zusätzlich kann die Erfindung einem Brennstoffzellenstapel zusätzliche Festigkeit verleihen.
Ein Ausrichtungssystem für einen Brennstoffzellenstapel gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung, die zum Abstützen von Bauelementen eines Brennstoffzellenstapels betreibbar ist. Es ist zumindest ein Ausrichtungsbauteil vorhanden, welches wahlweise zwischen ersten und zweiten Stellungen betreibbar ist. Das Ausrichtungsbauteil ist ausgebildet, um mit inneren Ausrichtungsmerkmalen auf Bauelementen des Brennstoffzellenstapels zusammenzuwirken. Die erste Stellung des Ausrichtungsbauteils entspricht einem Eingerücktsein bzw. Ineingriffstehen mit den Ausrichtungsmerkmalen. Die zweite Stellung des Ausrichtungsbauteils entspricht einem Ausgerücktsein bzw. Außereingriffstehen mit den Ausrichtungsmerkmalen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen, die benachbart zueinander in einem Stapelaufbau angeordnet sind. Die Brennstoffzellen weisen innere Ausrichtungsmerkmale auf, die es ermöglichen, Bauelemente jeder Brennstoffzelle unter Verwendung eines Ausrichtungsbauteils in einer vorbestimmten Orientierung relativ zueinander auszurichten. Jedes Ausrichtungsmerkmal umfasst eine Einrückoberfläche, die ausgebildet ist, um durch ein Ausrichtungsbauteil wahlweise eingerückt und ausgerückt zu werden, wenn das Ausrichtungsmerkmal um ein Ausrichtungsbauteil herum angeordnet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels offenbart, welcher mehrere Bauelemente mit inneren Ausrichtungsmerkmalen aufweist. Das Verfahren umfasst: (1) ein Orientieren wenigstens eines Ausrichtungsbauteils in einer ersten Stellung; (2) ein Positionieren wenigstens eines Bauelements des Brennstoffzellenstapels auf dem Ausrichtungsbauteil, wobei sich das innere Ausrichtungsmerkmal an dem Ausrichtungsbauteil befindet; (3) ein Ausrichten der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels mit dem Ausrichtungsbauteil; und (4) ein Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständiger verstanden werden, wobei:

1 eine perspektivische Explosionsansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Ausrichtungsbauteils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
3A eine Schnittdarstellung des Ausrichtungsbauteils entlang einer Linie 3-3 von 2 ist;
3B - 3D Schnittdarstellungen von alternativen Ausführungsformen eines Ausrichtungsbauteils entlang der Linie 3-3 von 2 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
4A und 4B Aufsichten eines mit einem entsprechenden Ausrichtungsmerkmal eines Bauelements eines Brennstoffzellenstapels eingerückten bzw. ausgerückten Ausrichtungsbauteils mit dem Querschnitt von 3A gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
5A und 5B Aufsichten eines mit einem entsprechenden Ausrichtungsmerkmal eines Bauelements eines Brennstoffzellenstapels eingerückten bzw. ausgerückten Ausrichtungsbauteils mit dem Querschnitt von 3B gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
6A und 6B Aufsichten eines mit einem entsprechenden Ausrichtungsmerkmal eines Bauelements eines Brennstoffzellenstapels eingerückten bzw. ausgerückten Ausrichtungsbauteils mit dem Querschnitt von 3C gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
7A und 7B Aufsichten eines mit einem entsprechenden Ausrichtungsmerkmal eines Bauelements eines Brennstoffzellenstapels eingerückten bzw. ausgerückten Ausrichtungsbauteils mit dem Querschnitt von 3D gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
8 eine Aufsicht eines Ausrichtungsbauteils, welches mit einem einem Abschnitt einer Fluidsammelleitung entsprechenden Ausrichtungsmerkmal ausgerückt ist, mit dem Querschnitt von 3A gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
9A bis 11B perspektivische Ansichten eines Montagemechanismus mit einem Brennstoffzellenstapel in verschiedenen Stufen der Montage gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind;
12A und 12B Seitenansichten eines Betätigungsgliedes für ein Paar von Ausrichtungsbauteilen in jeweiligen ersten und zweiten Stellungen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
13A eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellenstapels mit zwei Ausrichtungsbauteilen und zwei Federmechanismen gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei der eine Federmechanismus eingerückt mit einem Brennstoffzellenbauelement dargestellt ist und der andere Federmechanismus in einer Explosionsansicht dargestellt ist;
13B eine vergrößerte teilweise Ausschnittsansicht des mit dem Brennstoffzellenbauelement von 13A eingerückten Federmechanismus gemäß der ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
14 eine perspektivische Ansicht eines Ausrichtungsbauteils mit einem inneren Fluiddurchgang und Öffnungen durch die äußere Oberfläche gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
15A eine perspektivische Explosionsansicht eines Montagemechanismus einschließlich sich radial erstreckender Ausrichtungsbauteile gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
15B eine Querschnittsansicht des Montagemechanismus entlang einer Linie 15B-15B von 15A ist;
16A und 16B Aufsichten eines sich radial erstreckenden Ausrichtungsbauteils von 15A, welches mit dem entsprechenden Ausrichtungsmerkmal eines Bauelements eines Brennstoffzellenstapels eingerückt bzw. ausgerückt ist, gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
17A bis 17C ein Flussdiagramm des Montierens eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung sind; und
18 eine vereinfachte teilweise Querschnittsansicht eines Ausrichtungsbauteils in einer Sackbohrung eines oberen Abschlussbauelements eines Brennstoffzellenstapels mit einem dazwischen liegenden Spalt gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erlangen, ist in 1 eine Explosionsansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 20 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. 1 zeigt zwei einzelne PEM-Brennstoffzellen, die verbunden sind, um einen Stapel 20 zu bilden, der ein Paar von MEAs 22, 24 aufweist, die durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsgekühltes, bipolares Separatorplattenleitungselement 26 voneinander getrennt sind. Die MEAs bilden die aktive Fläche jeder Brennstoffzelle. Eine einzelne Brennstoffzelle, die nicht in Reihe innerhalb eines Stapels verbunden ist, weist eine Separatorplatte 26 mit einer einzelnen elektrisch aktiven Seite auf. In einem Stapel weist eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 26 innerhalb des Stapels 20 typischerweise zwei elektrisch aktive Seiten 28, 30 auf, wobei jede aktive Seite 28, 30 einer getrennten MEA 22 bzw. 24 mit entgegengesetzten, voneinander getrennten Ladungen zugewandt ist, demzufolge sie eine so genannte „bipolare Platte“ ist.
Die MEAs 22, 24 und die bipolare Platte 26 sind gemeinsam zwischen Klemmabschlussplatten 32, 34 aus rostfreiem Stahl und Fluidverteilungsendkontaktelementen 36, 38 gestapelt. Die Fluidverteilungsendelemente 36, 38 umfassen ebenso wie beide Arbeitsflächen oder -seiten 28, 30 der bipolaren Platte 26 mehrere Erhebungen, die zu Gräben oder Kanälen auf den aktiven Flächen 42, 28, 30 und 44 benachbart sind, und bilden Strömungsfelder, um Anoden- und Kathodenreaktanden (d.h. H₂ und O_2/Luft) an die MEAs 22, 24 zu verteilen. Flächen 40 und 46 der Fluidverteilungsendelemente 36 bzw. 38 umfassen ebenfalls mehrere zu Gräben oder Kanälen benachbarte Erhebungen, sind aber nicht aktiv und weisen keine dort hindurchströmenden Fluide auf. Nichtleitende Dichtungsplatten oder Dichtungen 48, 50, 52, 54, 56 und 58 stellen Dichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Bauelementen des Brennstoffzellenstapels bereit. Gasdurchlässige, leitfähige Diffusionsmittel 60, 62, 64 und 66 drücken gegen die Elektrodenflächen der MEAs 22, 24. Zusätzliche Schichten aus leitfahigen Mitteln 68, 70 sind zwischen den Fluidverteilungsendkontaktelementen 36, 38 und den Abschlusssammelplatten 32, 34 angeordnet, um eine leitfähige Bahn zwischen diesen bereitzustellen, wenn der Stapel während normaler Betriebsbedingungen zusammengepresst wird. Die Fluidverteilungsendkontaktelemente 36, 38 drücken gegen die Diffusionsmittel 60, 68 bzw. 66, 70. Alternativ können modulare MEAs (nicht dargestellt) verwendet werden, bei denen die MEA, die Diffusionsmittelschichten und die Dichtungsbauteile gemeinsam zu einem einzelnen Bauelement gebündelt sind.
Der Anodenreaktand in Form von H₂ wird aus einem Vorratstank, einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen über eine geeignete Vorlaufverrohrung 72 an die Anodenströmungsfelder des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert. Auf ähnliche Weise wird der Kathodenreaktand in Form von O_2/Luft aus einem Vorratstank oder der Umgebung über eine geeignete Vorlaufverrohrung 74 an die Kathodenströmungsfelder des Brennstoffzellenstapels 20 geliefert. Auslassverrohrungen 76, 78 für die Anoden- und Kathodenabflüsse, die in den entsprechenden Anoden- und Kathodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels 20 erzeugt wurden, werden ebenfalls bereitgestellt Eine zusätzliche Vorlaufverrohrung 80 wird bereitgestellt, um Kühlmittel durch die bipolaren Platten 26 und die Endplatten 36, 38 hindurch fließen zu lassen und durch die Rücklaufverrohrung 82 abfließen zu lassen. Die Vorlauf- und Rücklauf- oder Auslassverrohrungen 72, 74, 76, 78, 80 und 82 nehmen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 die Form von Sammelleitungen an.
Die verschiedenen Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 weisen Öffnungen 84, 86, 88, 90, 92 und 94 auf, die ausgerichtet sind, um Vorlauf- und Rücklauffluidsammelleitungen für die Reaktand- und Kühlmittelströme zu bilden. Die Öffnungen können bei den folgenden Bauelementen umfasst sein: den MEAs 22 und 24, den Dichtungsbauteilen 48, 50, 52, 54, 56 und 58, der bipolaren Platte 26, den Fluidverteilungsendelementen 36 und 38 und den Abschlussplatten 32 und 34. Die Öffnungen 84 und 86 stehen in Fluidkommunikation mit den Anodenreaktandverrohrungen 72 und 76. Die Öffnungen 88 und 90 stehen in Fluidkommunikation mit den Kathodenreaktandverrohrungen 74 und 78. Auf ähnliche Weise stehen die Öffnungen 92 und 94 in Fluidkommunikation mit den Kühlmittelverrohrungen 80 und 82. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Öffnungen 84, 86, 88, 90, 92 und 94 auch als innere Ausrichtungsmerkmale der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 dienen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Mit Bezug nun auf 2 ist ein beispielhaftes Ausrichtungsbauteil 96 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Ausrichtungsbauteil 96 besitzt gegenüberliegende Enden 98 und 100 mit einer zwischen diesen definierten Länge L. Das Ausrichtungsbauteil 96 umfasst auch eine äußere Oberfläche 102 mit Abschnitten 104, die ausgestaltet sind, um wahlweise mit den inneren Ausrichtungsmerkmalen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 einzurücken.
Die Ausrichtungsbauteile können aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel können die Ausrichtungsbauteile 96 aus Metall, wie beispielsweise einem hochpolierten Stahl, Polymer und keramischen Materialien, hergestellt sein. Die Ausrichtungsbauteile 96 sind, wenn sie ausgestaltet sind, um in dem Brennstoffzellenstapel zu verbleiben, aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt oder weisen eine nicht leitende Beschichtung auf. Die Ausrichtungsbauteile 96 können auch eine Beschichtung aufweisen, um die Reibung zu reduzieren, wenn sie mit Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 20 zusammenwirken, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Geeignete Beschichtungen umfassen eine Teflon-Beschichtung, Graphit und Molybdänsulfid, jedoch können andere Beschichtungen verwendet werden.
3A zeigt einen Querschnitt 106 der bevorzugten Ausführungsform des Ausrichtungsbauteils 96. Einrückabschnitte 104 sind konvex ausgestaltet, um mit ähnlich gekrümmten Ausrichtungsmerkmalen in den Brennstoffzellenbauelementen einzurücken, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. 3B bis 3D zeigen Querschnitte von alternativen Ausführungsformen des Ausrichtungsbauteils 96. 3B zeigt ein Ausrichtungsbauteil 96' mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt 106' mit durch gerundete Ecken gebildeten Einrückabschnitten 104'. Das Ausrichtungsbauteil 96' ist dem Ausrichtungsbauteil 96 von 3A im Wesentlichen ähnlich, jedoch weisen die Einrückabschnitte 104' einen kleineren Krümmungsradius als die Einrückabschnitte 104 auf. 3C zeigt ein Ausrichtungsbauteil 96" mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt 106" mit durch gerundete Ecken gebildeten Einrückabschnitten 104". 3D zeigt ein Ausrichtungsbauteil 96''' mit einem im Wesentlichen achteckigen Querschnitt 106''' mit Einrückabschnitten 104''' an zwei der Seiten.
Mit Bezug nun auf 4 bis 7 sind die verschiedenen Ausführungsformen des Ausrichtungsbauteils 96 zusammenwirkend mit inneren Ausrichtungsmerkmalen an Bauelementen des Brennstoffzellenstapels dargestellt. 4A zeigt einen Abschnitt eines Bauelements 108 eines Brennstoffzellenstapels 20, welcher um die bevorzugte Ausführungsform des Ausrichtungsbauteils 96 herum angeordnet ist und mit diesem eingerückt ist. Konvexe Abschnitte 104 sind mit einem im Wesentlichen quadratischen inneren Ausrichtungsmerkmal 110 des Bauelements 108 eingerückt. Insbesondere rücken die Abschnitte 104 mit vier komplementären, konkaven Oberflächen 112 des Ausrichtungsmerkmals 110 ein, um vier Wechselwirkungsflächen oder -punkte zwischen dem Ausrichtungsbauteil 96 und dem Bauelement 108 zum Ausrichten des Bauelements 108 zu schaffen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Die Berührungsflächen sorgen für eine niedrige Berührungsbeanspruchung und eine hohe Belastungsfähigkeit zwischen dem Ausrichtungsbauteil und dem Bauelement. 4B zeigt ein Ausrichtungsbauteil 96, welches von den Einrückoberflächen 112 des inneren Ausrichtungsmerkmals 110 ausgerückt ist. Das Ausrichtungsbauteil 96 ist um eine Längsachse gedreht worden, um sich von der in 4A dargestellten eingerückten Stellung in die in 4B dargestellte ausgerückte Stellung zu bewegen.
Die alternativen Ausführungsformen des Ausrichtungsbauteils 96 und die entsprechenden Umrisse des Ausrichtungsmerkmals 110 sind in 5 bis 7 dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen wird das Ausrichtungsbauteil ebenfalls um eine Längsachse gedreht, um sich zwischen den eingerückten und ausgerückten Stellungen zu bewegen. 5A und 5B zeigen das Ausrichtungsbauteil 96' und das Bauelement 108', welches ein im Wesentlichen quadratisches Ausrichtungsmerkmal 110 aufweist. Die Abschnitte 104' des Ausrichtungsbauteils 96' rücken mit im Wesentlichen ebenen, Einrückoberflächen 112' des inneren Ausrichtungsmerkmals 110' ein, um vier Wechselwirkungspunkte oder -flächen zwischen dem Ausrichtungsbauteil 96' und dem Bauelement 108' zum Ausrichten des Bauelements 108' zu schaffen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. 6A und 6B zeigen das Ausrichtungsbauteil 96" und das Bauelement 108", welches ein im Wesentlichen dreieckiges Ausrichtungsmerkmal 110" aufweist. Die Abschnitte 104" des Ausrichtungsbauteils 96" rücken mit drei im Wesentlichen ebenen, Einrückoberflächen 112" des inneren Ausrichtungsmerkmals 110" ein, um drei Wechselwirkungspunkte oder - flächen zwischen dem Ausrichtungsbauteil 96" und dem Bauelement 108" zum Ausrichten des Bauelements 108" zu schaffen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Auf ähnliche Weise zeigen 7A und 7B das Ausrichtungsbauteil 96''' und das Bauelement 108''', welches ein im Wesentlichen quadratisches Ausrichtungsmerkmal 110''' aufweist. Die Abschnitte 104''' des Ausrichtungsbauteils 96''' rücken mit zwei im Wesentlichen ebenen, Einrückoberflächen 112''' des inneren Ausrichtungsmerkmals 110''' ein, um zwei Wechselwirkungspunkte oder -flächen zwischen dem Ausrichtungsbauteil 96''' und dem Bauelement 108''' zum Ausrichten des Bauelements 108''' zu schaffen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Wie oben beschrieben wurde, stellt jedes Ausrichtungsbauteil zumindest zwei Wechselwirkungspunkte oder -flächen mit jedem Bauelement bereit. Es wird erwartet, dass zwei oder mehr Ausrichtungsbauteile verwendet werden, um die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels auszurichten. Insgesamt sind wenigstens fünf Wechselwirkungspunkte oder -flächen zwischen allen umfassten Ausrichtungsbauteilen und den Bauelementen wünschenswert, um die Bauelemente gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung auszurichten. Typischerweise werden Kombinationen von Ausrichtungsbauteilen verwendet, die insgesamt fünf oder sechs Wechselwirkungspunkte oder -flächen bereitstellen. Bevorzugt werden zwei im Wesentlichen quadratische, in Größe und Umriss identische Ausrichtungsbauteile verwendet, um sechs Wechselwirkungspunkte oder -flächen bereitzustellen. Das eine quadratische Ausrichtungsbauteil wirkt mit quadratischen Ausrichtungsmerkmalen zusammen, um vier Wechselwirkungspunkte oder -flächen bereitzustellen, und das andere quadratische Ausrichtungsbauteil wirkt mit rechteckigen Ausrichtungsmerkmalen zusammen, um zwei Wechselwirkungspunkte oder -flächen bereitzustellen, wodurch sich eine Gesamtzahl von sechs Wechselwirkungspunkten oder -flächen ergibt. Es ist einzusehen, dass verschiedene Kombinationen verwendet werden können, um die gewünschte Gesamtanzahl an Wechselwirkungspunkten oder -flächen zu erzielen.
Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung können die Ausrichtungsbauteile durch ein Rotieren um eine Längsachse wahlweise mit den inneren Ausrichtungsmerkmalen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels in Eingriff und außer Eingriff gebracht bzw. eingerückt und ausgerückt werden. Zusätzlich können die Ausrichtungsbauteile wahlweise in verschiedenen Orientierungen zwischen der vollständig eingerückten Stellung und der vollständig ausgerückten Stellung positioniert werden, um für einen gewünschten Einrückungsgrad mit den inneren Ausrichtungsmerkmalen zu sorgen. Vollständig ausgerückte Ausrichtungsbauteile können in einer axialen Richtung relativ zu den Bauelementen bewegt werden, ohne irgendein Bauelement zu berühren, und dann mit den Bauelementen wieder eingerückt werden oder aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Wenn sie sich in der eingerückten Stellung befinden, werden die mit den Ausrichtungsbauteilen eingerückten Bauelemente in einer gewünschten Orientierung relativ zueinander ausgerichtet sein, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Die Lage der inneren Ausrichtungsmerkmale an einem Bauelement kann in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels variieren. Zum Beispiel kann das Ausrichtungsmerkmal innerhalb oder außerhalb eines Dichtungsumfangs des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Bevorzugt sind die inneren Ausrichtungsmerkmale eigenständige Öffnungen in den Bauelementen, welche unabhängig von den Fluidsammelleitungen sind und außerhalb des Dichtungsumfangs des Brennstoffzellenstapels gelegen sind. Wenn sich die Orte außerhalb des Dichtungsumfangs befinden, können die inneren Ausrichtungsmerkmale einen unterbrochenen Umfang aufweisen und an allen Bauelementen umfasst sein. Alternativ können, wie in 8 dargestellt ist, die inneren Ausrichtungsmerkmale ein abgeteilter Abschnitt einer Fluidsammelleitung sein. In einem solchen Fall teilt ein abtrennendes Bauteil 114 einen Abschnitt der Sammelleitung ab und bildet einen Teil des Ausrichtungsmerkmals. Wenn der Brennstoffzellenstapel in Betrieb ist, wird das gleiche Fluid sowohl durch die Sammelleitung als auch durch das zugeordnete Ausrichtungsmerkmal und auch zwischen diesen strömen.
9 bis 11 zeigen einen Montagemechanismus 130 zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 9A und 9B ist der Montagemechanismus 130 bei einem teilweise montierten Brennstoffzellenstapel 20 dargestellt. Der Montagemechanismus 130 umfasst eine bewegliche Haltevorrichtung 132, einen beweglichen Stempel oder eine bewegliche Presse 135 und zwei Ausrichtungsbauteile 96, von denen jedes eine Länge L aufweist. Die Vorrichtung 132 stützt die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels während des Montagevorgangs ab. Der Stempel 135 und/oder die Vorrichtung 132 pressen die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels während des Montagevorgangs zusammen, wie nachfolgend beschrieben wird.
Wie oben angegeben, sind die Ausrichtungsbauteile 96 zwischen einer vollständig eingerückten Stellung, einer vollständig ausgerückten Stellung und dazwischen liegenden Zwischenpositionen drehbar. Um eine derartige Drehung anzutreiben, können die Ausrichtungsbauteile 96 an einen Betätigungsmechanismus 140 gekoppelt sein, der in 12A und 12B in einer ersten bzw. zweiten Stellung dargestellt ist. Der Betätigungsmechanismus 140 umfasst ein lineares Betätigungsglied 142, welches Verbindungsstücke 144 antreibt, um Öffnungen 146 und 148 zwischen ersten und zweiten Stellungen, die vollständig eingerückten und vollständig ausgerückten Stellungen des Ausrichtungsbauteils 96 entsprechen, und in dazwischen liegende Zwischenstellungen zu drehen, um für einen gewünschten Einrückungsgrad zu sorgen.
Mit Bezug wiederum auf 9A ist ein Abstand D₁ als der Abstand zwischen dem oberen Ende der Vorrichtung 132 und einer unteren Bezugslage 134 des Montagemechanismus 130 bestimmt. Die Vorrichtung 122 ist zum Verändern des Abstands D₁ entsprechend der Anzahl von Bauelementen betreibbar, um die Arbeitshöhe in dem gewünschten Bereich zu halten, Platz für zusätzliche Bauelemente bereitzustellen und das Zusammenpressen der Bauelemente zu unterstützen. Ein Abstand D₂ ist als der Abstand zwischen einem Bezugspunkt an dem beweglichen Stempel 135 und einem Bezugspunkt an der beweglichen Vorrichtung 132 bestimmt. 9B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Brennstoffzellenstapels 20 und der Vorrichtung 132. Ein Abstand D₃ ist als der Abstand zwischen der Oberseite der Ausrichtungsbauteile 96 und der Oberseite des gegenwärtig höchsten Bauelements des Brennstoffzellenstapels 20 bestimmt Während der Montage wird der Abstand D₃ innerhalb eines begrenzten Bereichs gehalten, während die Arbeitshöhe des Systems innerhalb eines gewünschten Bereichs gehalten wird, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Das Halten des Abstandes D₃ innerhalb eines begrenzten Bereichs sorgt während der Montage für einen einfachen Zugang zu jedem Bauelement.
10A und 10B zeigen den Montagemechanismus 130 mit weiteren zusammengebauten Bauelementen des Brennstoflzellenstapels 20. Zusätzlich zeigen 11A und 11B den Montagemechanismus 130 mit allen Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 20, die ausgerichtet sind und durch eine Pressvorrichtung 138 zusammengepresst sind.
Bei der oben besprochenen bevorzugten Ausführungsform wirkt das Ausrichtungsbauteil 96 nicht mit einem Federmechanismus zusammen. Der Federmechanismus entspricht einer ersten alternativen Ausführungsform eines Ausrichtungsbauteils und wird nachfolgend ausführlich besprochen. Bevor die Einzelheiten der ersten alternativen Ausführungsform besprochen werden, wird die Montage eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der bevorzugten Ausführungsform eines Ausrichtungsbauteils 96 erklärt.
Mit Bezug auf 17A bis 17C wird die Montage des Brennstoffzellenstapels 20 gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der verschiedenen Ausführungsformen eines Ausrichtungsbauteils dargestellt. Wie in Entscheidungsblock 1000 angegeben ist, wird sich das Verfahren in Abhängigkeit davon unterscheiden, ob ein Federmechanismus in Verbindung mit dem Ausrichtungsbauteil verwendet wird. Wenn ein Federmechanismus in Verbindung mit dem Ausrichtungsbauteil nicht verwendet wird, fährt das Montageverfahren mit Entscheidungsblock 1010 fort. Der Brennstoffzellenstapel 20 kann montiert werden, wenn sich die Ausrichtungsbauteile 96 in eingerückten oder ausgerückten Stellungen befinden, wie in Entscheidungsblock 1010 angegeben ist. Bevorzugt wird der Brennstoffzellenstapel montiert, wenn die Ausrichtungsbauteile sich in einer eingerückten Stellung befinden. Wenn dies der Fall ist, werden die Ausrichtungsbauteile 96 durch den Betätigungsmechanismus 140 in eine eingerückte Stellung ausgerichtet, wie in Block 1020 angegeben ist.
Die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 sind, entweder einzeln oder in einer Gruppe, an den Ausrichtungsbauteilen 96 positioniert, wobei die Ausrichtungsmerkmale 110 mit den Ausrichtungsbauteilen 96 ausgerichtet sind. Das bzw. die Bauelement(e) werden um einen Abstand D₃ entlang der Länge der Ausrichtungsbauteile 96 verschoben, bis sie sich unmittelbar benachbart zu beliebigen vorhergehenden Bauelementen oder zu der Vorrichtung 132 des Montagemechanismus 130 befinden. Die Bauelemente werden entlang der Länge der Ausrichtungsbauteile 96 verschoben, wobei die Einrückabschnitte 104 mit den Einrückoberflächen 112 der Ausrichtungsmerkmale 110 eingerückt sind. Während dieser Montagephase können die Ausrichtungsbauteile 96 nur eine bestimmte Anzahl von Bauelementen aufnehmen, wie durch den in den 9B und 10B dargestellten Abstand D₃ dargestellt wird. Sobald sich der Abstand D₃ unter einen vorbestimmten Mindestwert verringert, wird die Hinzufügung von weiteren Bauelementen des Brennstofistapels 20 eingestellt.
Wenn weitere Bauelemente hinzugefügt werden müssen, wie in Entscheidungsblock 1040 angegeben ist, werden die Ausrichtungsbauteile 96 durch den Betätigungsmechanismus 140 in eine ausgerückte Stellung gedreht, wie in Block 1050 angegeben ist. Wenn die Ausrichtungsbauteile 96 von den bereits montierten Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 20 ausgerückt sind, ist das Ausrichtungsbauteil 96 frei, sich axial relativ zu den Bauelementen zu bewegen. Die Vorrichtung 132 wird derart abgesenkt, dass sich der Abstand D₁ verringert, während sich der Abstand D₃ vergrößert, wie in Block 1060 angegeben ist Wenn sich die Ausrichtungsbauteile 96 nun mit einem ausreichenden Abstand oberhalb des obersten Bauelements des Brennstoffzellenstapels 20 erstrecken, um ein Hinzufügen zusätzlicher Bauelemente zu ermöglichen, werden die Ausrichtungsbauteile 96 durch den Betätigungsmechanismus 140 wieder in die eingerückte Stellung gedreht, wie in Block 1020 angegeben ist. Der in 17A durch die Blöcke 1020, 1030, 1040, 1050 und 1060 dargestellte Montageablauf setzt sich fort, bis die gewünschte Gesamtzahl von Bauelementen erreicht ist. Sobald alle Bauelemente hinzugefügt sind, wie in Entscheidungsblock 1040 angegeben ist, kann die Schlussmontage des Brennstoffzellenstapels 20 begonnen werden, wie in 17C dargestellt ist.
Während der Schlussmontage wird der Brennstoffzellenstapel 20 zusammengepresst, wie in 17C dargestellt ist. Der Brennstoffzellenstapel kann zusammengepresst werden, während sich die Ausrichtungsbauteile 96 in einer eingerückten Stellung, einer ausgerückten Stellung oder irgendeinem Grad dazwischen befinden. Somit wird eine Entscheidung getroffen, ob der Brennstoffzellenstapel zusammengepresst werden soll, während sich die Ausrichtungsbauteile 96 in der vollständig eingerückten Stellung befinden, wie in Entscheidungsblock 1066 angegeben ist. Falls es gewünscht ist, den Brennstoffzellenstapel zusammenzupressen, während sich die Ausrichtungsbauteile in einem gewissen Ausrückungsgrad befinden, werden die Ausrichtungsbauteile 96 zu einem gewünschten Ausrückungsgrad ausgerichtet, wie in Block 1068 angegeben ist. Wenn die Ausrichtungsbauteile 96 während des Zusammenpressens in der vollständig eingerückten Stellung gehalten werden, tragen die Ausrichtungsbauteile 96 dazu bei, die Ausrichtung der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 während des Zusammenpressens aufrechtzuerhalten. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 zusammengepresst wird, während die Ausrichtungsbauteile 96 geringfügig ausgerückt sind (ein Ausrückungsgrad), tragen die Ausrichtungsbauteile 96 immer noch dazu bei, die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 während des Zusammenpressens in einer gewünschten Orientierung zu halten, während außerdem der Verschleiß an den Ausrichtungsbauteilen 96 vermindert wird und zu einer Minimierung der Möglichkeit einer Beschädigung an den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 20 während des Pressvorgangs beigetragen wird. Wenn sich die Ausrichtungsbauteile 96 in der gewünschten Orientierung (Stellung) befinden, dann wird der Brennstoffzellenstapel 20 zusammengepresst, wie in Block 1070 angegeben ist.
Mit Bezug auf 11A und B wird ein oberes Abschlussbauelement 138 des Brennstoffzellenstapels 20 am Stempel 135 befestigt, und der Stempel 135 bewegt sich in Richtung der Vorrichtung 132 und presst die verschiedenen Bauelemente zusammen. Während der Abstand D₂ abnimmt, werden die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels zusammengepresst. Das Zusammenpressen kann ein Einphasenpressregime oder ein Zweiphasenpressregime sein, wie nachfolgend beschrieben wird. Bei dem Einphasenpressregime wird eine Bewegung der Bauelemente relativ zu den Ausrichtungsbauteilen 96 in Öffnungen 139 aufgenommen, die sich durch das oberseitige (oberste) Abschlussbauelement 138 des Brennstoffzellenstapels 20 und jegliche Bauelemente des Montagemechanismus 130 erstrecken, welche die Relativbewegung beeinträchtigen würden. Der Brennstoffzellenstapel wird durch den Stempel 135 und/oder die Vorrichtung 132 zusammengepresst, bis auf diesen eine gewünschte Presskraft vermittelt wird oder ein gewünschter Pressweg erreicht worden ist.
Bevorzugt wird das Zweiphasenpressregime verwendet, das in den Blöcken 1072 bis 1078 angegeben ist. Bei dem Zweiphasenpressregime umfasst das obere Abschlussbauelement 138 keine Öffnungen 139, die den Ausrichtungsbauteilen 96 ermöglichen, sich während des Zusammenpressens des Brennstoffzellenstapels 20 dort hindurch zu erstrecken. Vielmehr umfasst das obere Abschlusselement 138 mehrere Sackbohrungen 150, die in 18 dargestellt sind, welche im Wesentlichen die gleiche Geometrie wie die Ausrichtungsmerkmale an den anderen Bauelementen des Brennstoffzellenstapels aufweisen. Die Sackbohrungen 150 nehmen während des Zusammenpressens des Brennstoffzellenstapels 20 einen Abschnitt der Ausrichtungsbauteile 96 auf.
In der ersten Phase des Zweiphasenpressregimes wird der Stempel 135 (mit daran befestigtem oberem Abschlussbauelement 138) in Richtung der Vorrichtung 132 bewegt, wie in Block 1072 angegeben ist, wobei die Ausrichtungsbauteile 96 sich entweder in einer vollständig oder teilweise eingerückten Stellung befinden. Bevorzugt befinden sich die Ausrichtungsbauteile 96 in der vollständig eingerückten Stellung. Der Stempel 135 wird in Richtung der Vorrichtung 132 bewegt, und der Brennstoffzellenstapel 20 wird dazwischen zusammengepresst, bis ein erster vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist, wie in Block 1074 angegeben ist. Der erste vorbestimmte Pressungsgrad entspricht einem Spalt 151 mit einer vorbestimmten Maximalgröße, der zwischen dem Ende der Ausrichtungsbauteile 96 und dem Ende der Sackbohrungen 150 vorhanden ist, wie in 18 dargestellt ist. Die vorbestimmte Maximalgröße des Spalts 151 wird so festgesetzt, dass sie einem Pressungsgrad entspricht, bei dem die Bauelemente bis zu einem Grad zusammengepresst sind, dass die Reibung zwischen den Bauelementen eine Relativbewegung verhindert, welche die Ausrichtung der Bauelemente während eines nachfolgenden zusätzlichen Zusammenpressens bei vollständig ausgerückten Ausrichtungsbauteilen 96 ändern würde.
Sobald der erste vorbestimmte Pressungsgrad erreicht ist, beginnt die zweite Phase des Pressregimes. Die Ausrichtungsbauteile 96 werden in eine weiter ausgerückte Stellung und vorzugsweise in die vollständig ausgerückte Stellung bewegt, wie in Block 1076 angegeben ist. Der Brennstoffzellenstapel 20 wird bis zu einem zweiten vorbestimmten Pressungsgrad gepresst, wie in Block 1078 angegeben ist. Während dieser zweiten Pressphase werden der Stempel 135 und die Vorrichtung 132 auf eine synchronisierte Art und Weise aufeinander zu bewegt, so dass der Spalt 151 während der Bewegung innerhalb eines vorbestimmten Toleranzgrades aufrechterhalten wird. Das heißt, der Stempel 135 und die Vorrichtung 132 werden gleichzeitig in Einklang (mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit) aufeinander zu bewegt. Im Ergebnis wird der Spalt 151 während der zweiten Pressphase innerhalb des vorbestimmten Toleranzgrades aufrechterhalten. Der zweite vorbestimmte Pressungsgrad entspricht einer gewünschten Endpresskraft oder einem gewünschten Endpressabstand, welche dem Brennstoffzellenstapel 20 verliehen werden.
Ungeachtet dessen, welches Pressregime verwendet wird, werden, sobald der Brennstoffzellenstapel 20 mit dem gewünschten Abstand zusammengepresst wurde oder einer gewünschten Presskraft ausgesetzt wurde, die Endplatten des Brennstoffzellenstapels eingerastet, wie in Block 1080 angegeben ist. Wenn die Endplatten an Ort und Stelle relativ zueinander gesichert sind, dann hält der Brennstofizellenstapel 20 die Presskraft auf die verschiedenen Bauelemente innerhalb des Brennstoffzellenstapels aufrecht, und eine Bewegung der Bauelemente relativ zueinander wird ernsthaft verhindert.
Die Ausrichtungsbauteile können vom Brennstoffzellenstapel entfernt werden oder können alternativ innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 verbleiben, um dem Brennstoffzellenstapel zusätzliche Festigkeit und Abstützung zu verleihen. Bevorzugt werden die Ausrichtungsbauteile 96 von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt. Wenn jedoch die Ausrichtungsbauteile innerhalb des Brennstoffzellenstapels belassen werden sollen, wie in Entscheidungsblock 1090 angegeben ist, dann wird bevorzugt, dass die Ausrichtungsbauteile 96 sich in der eingerückten Stellung befinden. Entsprechend werden, falls notwendig, die Ausrichtungsbauteile 96 in die eingerückte Stellung bewegt, wie in Block 1095 angegeben ist, und das Montageverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist dann vollendet. Wenn die Ausrichtungsbauteile 96 entfernt werden sollen, werden die Ausrichtungsbauteile 96, falls notwendig, durch den Betätigungsmechanismus 140 in die ausgerückte Stellung gedreht, wie in Block 1100 angegeben ist. Wenn die Ausrichtungsbauteile ausgerückt sind, können die Ausrichtungsbauteile dann aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden, wie in Block 1100 angegeben ist. Um die Ausrichtungsbauteile zu entfernen, wird der Stempel 135 aufwärts in seine Grundstellung bewegt, und der Brennstoffzellenstapel 20 kann relativ zu den Ausrichtungsbauteilen 96 durch eine Bewegung der Haltevorrichtung 132 bewegt werden. Der Brennstoffzellenstapel kann dann von dem Montagemechanismus 130 entfernt werden, und die Montage des Brennstoffzellenstapels 20 gemäß der vorliegenden Erfindung ist vollendet.
Wie oben angegeben, können Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 hinzugefügt werden, während sich die Ausrichtungsbauteile in einer ausgerückten Stellung anstatt in der vorstehend besprochenen eingerückten Stellung befinden, wie durch Entscheidungsblock 1010 angegeben ist. In diesem Fall werden, wie in Block 1120 angegeben ist, die Ausrichtungsbauteile 96 durch den Betätigungsmechanismus 140 in eine ausgerückte Stellung gedreht. Die Bauelemente (entweder einzeln oder in im Wesentlichen ausgerichteten Gruppen) des Brennstoffzellenstapels werden dann auf der Vorrichtung 132 zusammenmontiert, indem das bzw. die Bauelement(e) entlang der Länge D₃ der Ausrichtungsbauteile 96 verschoben werden und das bzw. die Bauelement(e) in einer im Wesentlichen ausgerichteten Orientierung relativ zu (einem) beliebigen vorhergehenden Bauelement(en) angeordnet werden. Die Anzahl der zu diesem Zeitpunkt hinzugefügten Bauelemente wird in Abhängigkeit von der Anzahl der Bauelemente schwanken, die die Ausrichtungsbauteile 96 durch eine Rotation in die eingerückte Stellung relativ zueinander ausrichten können.
Wenn die erlaubte (oder, falls gewünscht, geringere) Anzahl von Bauelementen hinzugefügt worden ist, dann werden die Bauelemente in eine bestimmte Stellung relativ zueinander ausgerichtet, indem die Ausrichtungsbauteile 96 mittels des Betätigungsmechanismus 140 in die eingerückte Stellung gedreht werden, wie in Block 1140 angegeben ist. Die Drehung der Ausrichtungsbauteile 96 in die eingerückte Stellung bewirkt, dass sich die auf den Ausrichtungsbauteilen 96 sitzenden Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 20 in die ausgerichtete Orientierung bewegen.
Falls weitere Bauelemente hinzugefügt werden sollen, wie in Entscheidungsblock 1150 angegeben ist, werden die Ausrichtungsbauteile 96 mittels des Betätigungsmechanismus 140 in die ausgerückte Stellung gedreht, wie in Block 1160 angegeben ist. Falls der Abstand D₃ keine zusätzlichen Bauelemente aufnehmen kann, wie in Block 1170 angegeben ist, werden die Ausrichtungsbauteile 96 durch ein Absenken der Vorrichtung 132 axial relativ zu den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 20 bewegt. Während der Abstand D₁ abnimmt, nimmt der Abstand D₃ zu. Sobald D₃ eine ausreichende Größe aufweist, endet die Bewegung der Vorrichtung 132 und zusätzliche Bauelemente werden hinzugefügt, wie in Block 1130 angegeben ist und oben beschrieben ist. Der durch die Blöcke 1130, 1140, 1150, 1160 und 1170 angegebene Montageablauf dauert fort, bis die gewünschte Anzahl von Bauelementen zu dem Brennstoffzellenstapel 20 hinzugefügt worden ist.
Sobald die gewünschte Anzahl von Bauelementen zu dem Brennstoffzellenstapel 20 hinzugefügt worden ist, wie in Block 1150 angegeben ist, kann die Endmontage des Brennstoffzellenstapels gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beginnen. Die Endmontage wird auf die gleiche Art und Weise wie oben beschrieben und in den Blöcken 1066 bis 1110 angegeben durchgeführt. Demgemäß wird die Endmontage des Brennstoffzellenstapels nicht weiter beschrieben werden.
Wie oben angegeben, umfasst eine erste alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in den 13A und 13B dargestellt ist, einen Federmechanismus 252, der in Verbindung mit den Ausrichtungsbauteilen 296 verwendet wird, um die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 auszurichten. Die Verwendung eines Federmechanismus 252 in Verbindung mit dem Ausrichtungsbauteil 296 wird typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel 220 angewandt, der eine kürzere Länge und/oder weniger Brennstoffzellen darin aufweist. 13A zeigt eine Explosionsansicht des Brennstoffzellenstapels 220. Der Brennstoffzellenstapel 220 umfasst mehrere Bauelemente 208, zwei Ausrichtungsbauteile 296 und zwei entsprechende Federmechanismen 252. Der eine Federmechanismus 252 ist an ein Bauelement 208 gekoppelt dargestellt, während der andere Federmechanismus 252 in einer Explosionsansicht dargestellt ist. Jeder Federmechanismus 252 umfasst eine Abschlusskappe 253, ein Federbauteil 254, eine Unterlegscheibe 255 und einen Verlängerungsstift 256. Der Verlängerungsstift 256 erstreckt sich von der Abschlusskappe 253 in einen unteren Abschnitt des Ausrichtungsbauteils 296 hinein. Das Federbauteil 254 presst, um eine Bewegung der Ausrichtungsbauteile 256 relativ zu den Bauelementen 208 zu ermöglichen. 13B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Federmechanismus 252, der mit dem Brennstoffzellenstapel 220 und dem Ausrichtungsbauteil 296 eingerückt ist.
Die Montage des Brennstoffzellenstapels 220 unter Verwendung des Federmechanismus 252 in Verbindung mit Ausrichtungsbauteilen 256 gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in 17A bis 17C dargestellt. Wenn der Federmechanismus 252 in Verbindung mit den Ausrichtungsbauteilen 296 zur Montage des Brennstoffzellenstapels 220 verwendet wird, wie in Block 1000 angegeben ist, unterscheidet sich das Montageverfahren, wie es in 17B dargestellt ist, von dem oben besprochenen, wenn ein Federmechanismus nicht verwendet wird.
Wie oben bei dem vorhergehenden Verfahren besprochen wurde, können die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 montiert werden, während die Ausrichtungsbauteile 296 sich in einer eingerückten oder ausgerückten Stellung befinden, wie in Entscheidungsblock 1180 angegeben ist. Bevorzugt werden Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 hinzugefügt, während die Ausrichtungsbauteile 296 sich in der eingerückten Stellung befinden. In diesem Fall werden die Ausrichtungsbauelemente durch den Betätigungsmechanismus 140 in die eingerückte Stellung gedreht, wie in Block 1190 angegeben ist. Die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 werden zusammenmontiert, indem die verschiedenen Bauelemente (entweder einzeln oder in im Wesentlichen ausgerichteten Gruppen) entlang der Länge der Ausrichtungsbauteile 296 geschoben werden. Da sich die Ausrichtungsbauteile 256 in der eingerückten Stellung befinden, während jedes Bauelement hinzugefügt wird, wird sich das Bauelement selbst in eine gewünschte Stellung orientieren, die es relativ zu den anderen Bauelementen ausrichtet.
Wie oben angegeben, sind der Federmechanismus 252 und die Ausrichtungsbauteile 296 typischerweise kürzeren Brennstoffzellenstapeln zugeordnet. Dementsprechend werden die Ausrichtungsbauteile 296 während der Montage nicht axial relativ zu den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels bewegt. Vielmehr wird jedes Bauelement des Brennstofizellenstapels 220 der Reihe nach hinzugefügt, entweder einzeln oder in Gruppen, bis alle Bauelemente auf dem Ausrichtungsbauteil 296 angeordnet und relativ zueinander ausgerichtet worden sind. Sobald alle Bauelemente hinzugefügt worden sind, kann die Endmontage des Brennstoflzellenstapels gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung begonnen werden.
Die Endmontage des Brennstoffzellenstapels 220 ist im Wesentlichen die gleiche wie diejenige, die oben mit Bezug auf die Blöcke 1066 bis 1110 und das Einphasenpressregime besprochen wurde. Das Zweiphasenpressregime wird nicht verwendet, wenn ein Federmechanismus 252 einem Ausrichtungsbauteil 296 zugeordnet ist. Während der Pressung des Brennstoffzellenstapels 220 ermöglicht der Federmechanismus 252, dass die Ausrichtungsbauteile 296 aufgrund der Pressung des Federbauteils 254 axial mit der Pressung der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 bewegt werden. Diese axiale Bewegung des Ausrichtungsbauteils 296 führt zu einer begrenzten, axialen Relativbewegung zwischen den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels 220, die während des Pressens des Brennstoffzellenstapels 220 durch das Ausrichtungsbauteil 296 ausgerichtet werden. Indem dem Ausrichtungsbauteil 296 ein axiales Bewegen ermöglicht wird, werden ferner keine Öffnungen benötigt, welche sich durch die obersten Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 und Bauelemente des Montagemechanismus 130 erstrecken, da die Ausrichtungsbauteile 296 axial in die unteren Abschlussbauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 gepresst werden. Somit ist dann die Endmontage des Brennstoffzellenstapels 220 im Wesentlichen die gleiche wie diejenige, die oben mit Bezug auf die Blöcke 1066 bis 1110 und das Einphasenpressregime besprochen wurde. Dementsprechend wird die Endmontage des Brennstoffzellenstapels nicht weiter beschrieben werden.
Wie oben angegeben, kann der Brennstoffzellenstapel 220 montiert werden, während sich die Ausrichtungsbauteile 296 in einer ausgerückten Stellung befinden, wie in Entscheidungsblock 1180 angegeben ist. In diesem Fall werden die Ausrichtungsbauteile 296 mittels des Betätigungsmechanismus 140 in eine entkoppelte Stellung gedreht, wie in Block 1210 angegeben ist. Wenn sich die Ausrichtungsbauteile 296 in einer entkoppelten Stellung befinden, werden ein oder mehrere Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220, entweder einzeln oder in im Wesentlichen ausgerichteten Gruppen, entlang des Ausrichtungsbauteils 296 geschoben, im Wesentlichen in der gewünschten ausgerichteten Orientierung. Das Ausrichtungsbauteil 296 wird geeignet sein, um eine gewisse Anzahl von nicht ausgerichteten Bauelementen auszurichten, wenn es von der ausgerückten Stellung in die eingerückte Stellung gedreht wird. Dementsprechend kann mit dem Hinzufügen von Bauelementen zu dem Ausrichtungsbauteil 296 fortgefahren werden, bis die Kapazitäten des Ausrichtungsbauteils 296 erreicht werden.
Die Bauelemente werden durch Drehen der Ausrichtungsbauteile 296 in die eingerückte Stellung ausgerichtet, wie in Block 1230 angegeben ist. Dieses wird durch den Betätigungsmechanismus 140 bewerkstelligt. Wenn zusätzliche Bauelemente hinzugefügt werden müssen, wie in Entscheidungsblock 1240 angegeben ist, werden die Ausrichtungsbauteile 256 durch den Betätigungsmechanismus 140 in die ausgerückte Stellung gedreht, wie in Block 1210 angegeben ist. Das bzw. die zusätzliche (n) Bauelement(e) können dann hinzugefügt werden.
Der Vorgang des Hinzufügens und Ausrichtens von Bauelementen, wie in den Blöcken 1210, 1220, 1230, und 1240 angegeben ist, wird fortgeführt, bis alle Bauelemente des Brennstoffzellenstapels 220 montiert und in ihre ausgerichteten Stellungen ausgerichtet worden sind. Wenn alle Bauelemente montiert und ausgerichtet sind, wird die Endmontage des Brennstoffzellenstapels 220 beginnen, wie oben besprochen worden ist und in den Blöcken 1066 bis 1110 angegeben ist. Dementsprechend wird die Endmontage des Brennstoffzellenstapels nicht weiter besprochen.
Mit Bezug nun auf 14 wird eine zweite alternative Ausführungsform eines Ausrichtungsbauteils gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Ausrichtungsbauteil 396 ist ausgestaltet, um in dem Brennstoffzellenstapel zu verbleiben, und ausgebildet, um in einem Ausrichtungsmerkmal verwendet zu werden, welches einen Abschnitt einer Fluidsammelleitung bildet, wie beispielsweise das in 8 dargestellte Ausrichtungsmerkmal 110. Das Ausrichtungsbauteil 396 verbleibt innerhalb dieses Abschnitts der Fluidsammelleitung, nachdem der Brennstoffzellenstapel montiert worden ist und während der Benutzung des Brennstoffzellenstapels. Da das Ausrichtungsbauteil 396 in dem Ausrichtungsmerkmal verbleibt, welches einen Abschnitt einer Fluidsammelleitung bildet, ist das Ausrichtungsbauteil 396 derart ausgestaltet, dass es einen minimalen Einfluss auf die Strömung des Fluides sowohl durch diese Sammelleitung als auch durch das Ausrichtungsmerkmal aufweist, welches einen Abschnitt dieser Sammelleitung bildet. Dementsprechend umfasst das Ausrichtungsbauteil 396 Enden 360, 362 und einen inneren Fluiddurchgang 364, der sich zwischen diesen erstreckt. Die äußere Oberfläche 366 des Ausrichtungsbauteils 396 umfasst mehrere Öffnungen 368, welche in Fluidkommunikation mit dem inneren Fluiddurchgang 364 stehen.
Wenn ein Fluid durch die Sammelleitung und das Ausrichtungsmerkmal strömt, kann das Fluid um die Außenseite des Ausrichtungsbauteils 396, durch den Durchgang 364 und dazwischen über Öffnungen 368 strömen. Somit ermöglicht das Ausrichtungsbauteil 396, dass Fluid durch das Ausrichtungsmerkmal der Sammelleitung strömt, um die notwendigen Bauelemente des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Weiterhin ist das Ausrichtungsbauteil 396 bevorzugt nicht leitend oder es weist eine nicht leitende Beschichtung auf, so dass es nicht den elektrischen Stromfluss durch den Brennstoffzellenstapel beinträchtigt. Das Ausrichtungsbauteil 396 ist bevorzugt in der eingerückten Stellung mit den Ausrichtungsmerkmalen gehalten, wenn es in dem Brennstoffzellenstapel belassen wird. Durch das Beibehalten des Ausrichtungsbauteils 396 in der eingerückten Stellung fügt das Ausrichtungsbauteil 396 den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels und dem Brennstoffzellenstapel als Ganzes zusätzliche Festigkeit und Stabilität hinzu. Außerdem wird durch das Beibehalten des Ausrichtungsbauteils 396 in der eingerückten Stellung eine Relativbewegung der verschiedenen Bauelemente des Brennstoffzellenstapels weiter verhindert.
Das Montageverfahren eines Brennstoffzellenstapels mit Ausrichtungsbauteilen 396 ist das gleiche wie dasjenige, welches oben mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform besprochen wurde, bei der das Ausrichtungsbauteil nach der Montage bei dem Brennstoffzellenstapel verbleibt. Dementsprechend wird die Montage eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Ausrichtungsbauteile 396 nicht weiter besprochen.
Eine dritte alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 15 und 16 dargestellt. 15A zeigt eine Explosionsansicht eines teilweise montierten Brennstoffzellenstapels 420 auf einem Montagesockel 430. Der Brennstoffzellenstapel 420 umfasst Bauelemente 408, welche um die Ausrichtungsbauteile 496 herum angeordnet sind. Die Ausrichtungsbauteile 496 bewegen sich durch radiales Ausdehnen und Zusammenziehen zwischen eingerückten und ausgerückten Stellungen mit Bezug auf die Bauelemente 408, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Mit Bezug auf 15B sind Ausrichtungsbauteile 496 detailliert dargestellt. Jedes sich radial ausdehnende und zusammenziehende Ausrichtungsbauteil 496 umfasst drei komplementäre Bauteile 470, 471 und 472, welche konische, innere Ausnehmungen an jedem Ende und einen sich axial erstreckenden, inneren Kanal bereitstellen. Die konischen Abschnitte der Bauteile 470, 471 und 472 wirken mit Keilen 474 und 476 zusammen. Der Keil 474 umfasst einen konischen äußeren Abschnitt, welcher in die durch die Bauteile 470, 471 und 472 gebildete konische Ausnehmung eingreift und relativ zu dem Keil 476 beweglich ist, um eine radiale Ausdehnung und Zusammenziehung des Ausrichtungsbauteils 496 zu bewirken. Die Ausdehnung entspricht der eingerückten Stellung, während eine Rückstellung der ausgerückten Stellung entspricht. Der stationäre Keil 476 ist an dem Montagesockel 430 befestigt und umfasst ebenfalls einen konischen äußeren Abschnitt, welcher in die gegenüberliegende, durch die Bauteile 470, 471 und 472 gebildete konische Ausnehmung eingreift.
Das Ausrichtungsbauteil 496 umfasst einen axial beweglichen Stab 478. Der Stab 478 ist in dem inneren Kanal zwischen den komplementären Bauteilen 470, 471 und 472 angeordnet und an dem beweglichen Keil 474 befestigt. Der Stab 470 ist zu einer axialen Bewegung relativ zu den komplementären Bauteilen 470, 471 und 472 und dem stationären Keil 476 fähig. Ein Betätigungsglied 440 ist mit dem Stab 478 gekoppelt und ist zum axialen Bewegen des Stabes 478 betreibbar. Eine Bewegung des Stabes 478 relativ zu dem befestigten Keil 476 veranlasst den beweglichen Keil 474, sich in Richtung des stationären Keils 476 oder von diesem weg zu bewegen, um eine radiale Ausdehnung oder Kontraktion des Ausrichtungsbauteils 496 zu veranlassen.
Das Ausrichtungsbauteil 496 umfasst auch obere und untere Vorspannbauteile 480, welche die Bauteile 470, 471 und 472 radial einwärts vorspannen. Wenn der bewegliche Keil 474 in Richtung des stationären Keils 476 gezogen wird, veranlasst somit das Eingreifen der konischen Oberflächen an den Keilen 474, 476 mit den durch die Bauteile 470, 471 und 472 gebildeten konischen Ausnehmungen die Bauteile 470, 471 und 472, sich entgegen der Vorspannung der Vorspannbauteile 480 radial auswärts in die eingerückte Stellung zu bewegen. Andererseits ermöglicht eine Bewegung des beweglichen Keils 474 weg von dem stationären Keil 476, dass die Kraft der Vorspannbauteile 480 die Bauteile 470, 471 und 472 radial einwärts in die ausgerückte Stellung bewegt.
16A und 16B stellen das Ausrichtungsbauteil 496 mit dem Bauelement 408 eingerückt bzw. ausgerückt dar, welches ein inneres Ausrichtungsmerkmal 410 aufweist. Es versteht sich, dass die relative Skalierung der 16A und 16B zu illustrativen Zwecken überhöht worden ist. Mit Bezug auf 16A sind die Bauteile 470, 471 und 472 radial ausgedehnt und in der eingerückten Stellung dargestellt. In der eingerückten Stellung weist jedes Bauteil 470, 471 und 472 zumindest einen Wechselwirkungspunkt oder zumindest eine Wechselwirkungsfläche mit dem inneren Ausrichtungsmerkmal 410 des Bauelements 408 auf, so dass wenigstens drei Kontaktpunkte oder -flächen für jedes Ausrichtungsbauelement 496 bereitgestellt werden. Mit Bezug auf 16B werden die Bauteile 470, 471 und 472 radial zurückgezogen und von dem Bauelement 408 ausgerückt dargestellt und sie weisen somit keine Wechselwirkungen mit dem inneren Ausrichtungsmerkmal 410 auf.
Die Montage eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Ausrichtungsbauteile 496 ist im Wesentlichen die gleiche wie diejenige, welche oben mit Bezug auf das Ausrichtungsbauteil 96 besprochen wurde, während der Hauptunterschied in der Art und Weise besteht, in der sich die Ausrichtungsbauteile 496 zwischen einer mit den Bauelementen des Brennstoffzellenstapels eingerückten und ausgerückten Stellung bewegen. Dementsprechend wird die Montage eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Ausrichtungsbauteile 496 nicht weiter besprochen.
Die in dem Brennstoffzellenstapel umfassten Platten können aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein und eine Auswahl von Konstruktionen aufweisen. Zum Beispiel können Verbundplatten und rostfreie Stahlplatten verwendet werden, und die Platten können gestanzte, geätzte, gegossene oder gefräste Konstruktionen aufweisen.

Claims

Ausrichtungssystem für einen Brennstoffzellenstapel (20, 220), welcher mehrere Bauelemente mit inneren Ausrichtungsmerkmalen (110) aufweist, wobei das Ausrichtungssystem umfasst: eine Vorrichtung (132), welche zum Abstützen von Bauelementen eines Brennstoffzellenstapels (20, 220) betreibbar ist; und zumindest ein Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496), welches wahlweise zwischen ersten und zweiten Stellungen betreibbar ist, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) ausgebildet ist, um mit inneren Ausrichtungsmerkmalen (110) an Bauelementen eines Brennstoffzellenstapels (20, 220) zusammenzuwirken, wobei die erste Stellung einem Eingerücktsein mit Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht, wobei die zweite Stellung einem Ausgerücktsein mit Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) eine äußere Oberfläche (102, 366) aufweist und Abschnitte der äußeren Oberfläche (102, 366) mit Ausrichtungsmerkmalen (110) eingerückt sind, wenn es sich in der ersten Stellung befindet.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, wobei die äußere Oberfläche (102, 366) eine Geometrie aufweist, welche in der ersten Stellung mehrere ausgeprägte Berührungspunkte mit einem Ausrichtungsmerkmal (110) begründet.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, wobei ein Einrückabschnitt (104, 104', 104", 104''') des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) einen quadratischen Querschnitt aufweist.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, wobei ein Einrückabschnitt (104, 104', 104", 104''') des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) einen dreieckigen Querschnitt aufweist.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 2, wobei ein Einrückabschnitt (104, 104', 104", 104''') des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) einen achteckigen Querschnitt aufweist.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) ausgebildet ist, um nach einer Montage in einem Brennstoffzellenstapel (20, 220) zu verbleiben.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 7, wobei das Ausrichtungsbauteil (366) einen inneren Fluiddurchgang (364) und eine äußere Oberfläche (366) mit mehreren Öffnungen (368) aufweist, welche mit dem Durchgang (364) in Verbindung stehen und dadurch einem Fluid ermöglichen, zwischen dem Durchgang (364) und einem Äußeren des Ausrichtungsbauteils (366) hindurch zu treten.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) zwischen den ersten und zweiten Stellungen dreht.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, welches ferner ein angetriebenes Betätigungsglied (142, 440) umfasst, das zum Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) zwischen den ersten und zweiten Stellungen betreibbar ist.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei sich eine radiale Abmessung des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) ändert, wenn sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) zwischen den ersten und zweiten Stellungen bewegt.
Ausrichtungsbauteil nach Anspruch 1, wobei sich Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels (20, 220) axial relativ zu dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) bewegen können, wenn sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in der ersten Stellung befindet.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, welches ferner ein Federbauteil (254) umfasst, welches mit dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) gekoppelt ist, und wobei sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) axial bewegt, wenn Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels (20, 220) axial zusammengepresst werden.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Bewegung des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) von der zweiten Stellung in die erste Stellung Bauelemente eines Brennstoffzellenstapels (20, 220) veranlasst, sich in eine vorbestimmte Orientierung relativ zueinander zu bewegen.
Ausrichtungssystem nach Anspruch 1, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) wahlweise in Zwischenstellungen zwischen den ersten und zweiten Stellungen positionierbar ist, um unterschiedliche Einrückungsgrade zwischen den Ausrichtungsbauteilen (96, 296, 396, 496) und den inneren Ausrichtungsmerkmalen (110) bereitzustellen.
Brennstoffzellenstapel, welcher mehrere, in einem gestapelten Aufbau benachbart zueinander angeordnete Brennstoffzellen umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel (20, 220) ferner zumindest ein Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) umfasst, welches zwischen ersten und zweiten Stellungen betreibbar ist, wobei die Brennstoffzellen innere Ausrichtungsmerkmale (110) aufweisen, welche es ermöglichen, Bauelemente jeder Brennstoffzelle unter Verwendung des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in einer vorbestimmten Orientierung relativ zueinander auszurichten, wobei jedes Ausrichtungsmerkmal (110) eine Einrückoberfläche (112, 112', 112", 112''') umfasst, welche ausgebildet ist, um durch das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) wahlweise eingerückt und ausgerückt zu werden, wenn das Ausrichtungsmerkmal (110) um das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) herum angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Ausrichtungsmerkmale (110) einer Fluidsammelleitung des Brennstoffzellenstapels (20, 220) entsprechen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, wobei die Ausrichtungsmerkmale (110) abgeteilte Abschnitte einer Fluidsammelleitung des Brennstoffzellenstapels (20, 220) sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die erste Stellung einem Eingerücktsein mit den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht und die zweite Stellung einem Ausgerücktsein von den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, wobei die Ausrichtungsmerkmale (110) einer Fluidsammelleitung des Brennstoffzellenstapels (20, 220) zugeordnet sind und das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) einen inneren Durchgang (364) und mehrere, mit dem inneren Durchgang (364) in Verbindung stehende, äußere Öffnungen (368) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in Zwischenstellungen zwischen den ersten und zweiten Stellungen positionierbar ist, um unterschiedliche Einrückungsgrade mit den Ausrichtungsmerkmalen (110) bereitzustellen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzellen eine MEA (22, 24) umfassen, welche die Ausrichtungsmerkmale (110) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Brennstoffzellen ein Dichtungsbauteil (48, 50, 52, 54, 56, 58) umfassen, welches die Ausrichtungsmerkmale (110) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Ausrichtungsmerkmale (110) ausgebildet sind, um mit Ecken an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) einzurücken.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Ausrichtungsmerkmale (110) ausgebildet sind, um mit ebenen Oberflächen an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) einzurücken.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Ausrichtungsmerkmale ausgebildet sind, um mit dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) mit wenigstens zwei Berührungspunkten einzurücken.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Einrückoberfläche (112, 112', 112", 112''') gekrümmt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, wobei die Einrückoberfläche (112, 112', 112", 112''') eben ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, welcher ferner umfasst: einen Federmechanismus (252), welcher mit dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) gekoppelt ist und betreibbar ist, um es dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) zu ermöglichen, sich während einer Pressung der Brennstoffzellen axial zu bewegen.
Verfahren zum Montieren eines Brennstoffzellenstapels (20, 220), welcher mehrere Bauelemente mit inneren Ausrichtungsmerkmalen (110) und zumindest ein Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496), welches zwischen ersten und zweiten Stellungen betreibbar ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst: (a) ein Orientieren des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in einer ersten Stellung; (b) ein Positionieren von mehreren Bauelementen des Brennstoffzellenstapels (20, 220) auf dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496), wobei sich das innere Ausrichtungsmerkmal (110) an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) befindet; (c) ein Ausrichten der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) mit dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496); und (d) ein Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220).
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (d) ein Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220), wobei sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in der ersten Stellung befindet, bis ein erster vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist, ein Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) von der ersten Stellung in die zweite Stellung und ein Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) umfasst, wobei sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in der zweiten Stellung befindet, bis ein zweiter vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220), bis ein erster vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist, ein Zusammenpressen der Bauelemente umfasst, bis ein Spalt, welcher eine Größe kleiner als ein vorbestimmter Wert aufweist, zwischen dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) und einem Bauelement des Brennstoffzellenstapels (20, 220) vorhanden ist, und wobei das Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220), bis ein zweiter vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist, ein Aufrechterhalten der Größe des Spaltes innerhalb einer vorbestimmten Toleranz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Aufrechterhalten der Größe des Spaltes innerhalb der vorbestimmten Toleranz umfasst, dass die Größe des Spalts konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei (d) ein Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in eine zweite Position umfasst, wobei das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) von den Ausrichtungsmerkmalen (110) vollständig ausgerückt ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei (d) ein Zusammenpressen der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) umfasst, bis ein erster vorbestimmter Pressungsgrad erreicht ist, welcher einer Reibungskraft zwischen den Bauelementen entspricht, die ausreichend ist, eine Fehlausrichtung aufgrund weiterer Pressung zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die erste Stellung einem Eingerücktsein des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) mit den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht, um die Bauelemente zu einem Ausrichten in eine vorbestimmte Orientierung relativ zueinander zu veranlassen, und wobei (c) ein Verschieben der Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) entlang einer Länge des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) umfasst, während sich dieses in einer ersten Stellung befindet.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei (c) ferner umfasst: (i) ein Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in eine zweite Stellung, welche einem Ausgerücktsein des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) von den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht, nachdem die Bauelemente entlang der Länge des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) verschoben worden sind; (ii) ein axiales Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) relativ zu den Bauelementen, während sich dieses in der zweiten Stellung befindet; und (iii) mehrmaliges Durchführen von (a) bis (c), bis eine vorbestimmte Anzahl von Bauelementen des Brennstoffzellenstapels (20, 220) zueinander ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 30, welches ferner ein Entfernen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) aus dem Brennstoffzellenstapel (20, 220) nach der Durchführung von (d) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die erste Stellung einem Eingerücktsein des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) mit den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht, um die Bauelemente zu einem Ausrichten in eine vorbestimmte Orientierung relativ zueinander zu veranlassen, und wobei das Verfahren vor einem Entfernen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) ferner ein Bewegen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in die zweite Stellung umfasst, welche einem Ausgerücktsein des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) von den Ausrichtungsmerkmalen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (c) ein Drehen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in die zweite Stellung umfasst, wodurch die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) veranlasst werden, relativ zueinander in einer vorbestimmten Orientierung auszurichten.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (c) ein radiales Ausdehnen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in die zweite Stellung umfasst, wodurch die Bauelemente des Brennstoffzellenstapels (20, 220) an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) veranlasst werden, relativ zueinander in eine vorbestimmte Orientierung auszurichten.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (c) ein Einrücken der Ausrichtungsmerkmale (110) mit dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) mit wenigstens zwei Berührungspunkten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die erste Stellung einem Eingerücktsein des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) mit den Ausrichtungsmerkmalen (110) entspricht, um die Bauelemente zu veranlassen, relativ zueinander in eine vorbestimmte Orientierung auszurichten, und wobei (d) ein Zusammenpressen der Bauelemente umfasst, während sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in der ersten Stellung befindet.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die ersten und zweiten Stellungen jeweils einer mit dem inneren Ausrichtungsmerkmal (110) vollständig eingerückten und vollständig ausgerückten Stellung entsprechen, und wobei (d) ein Positionieren des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in eine Zwischenstellung zwischen den ersten und zweiten Stellungen, um einen gewünschten Einrückungsgrad mit dem inneren Ausrichtungsmerkmal (110) bereitzustellen, und ein Zusammenpressen der Bauelemente umfasst, während sich das Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) in der Zwischenstellung befindet.
Verfahren nach Anspruch 30, welches ferner ein Zurücklassen des Ausrichtungsbauteils (96, 296, 396, 496) in dem Brennstoffzellenstapel (20, 220) nach einer Montage umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (a) bis (c) unter Verwendung von mehreren Ausrichtungsbauteilen (96, 296, 396, 496) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die inneren Ausrichtungsmerkmale (110) einem Fluidsammelleitungsabschnitt des Brennstoffzellenstapels (20, 220) entsprechen, und wobei (c) eine Verwendung der Ausrichtungsmerkmale (110) in dem Fluidsammelleitungsabschnitt umfasst, um die Bauelemente relativ zueinander in eine vorbestimmte Orientierung auszurichten.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei (b) ein Positionieren einer Gruppe von Brennstoffzellenstapelbauelementen an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) umfasst, während sich die inneren Ausrichtungsmerkmale (110) an dem Ausrichtungsbauteil (96, 296, 396, 496) befinden.