DE102009034141A1

DE102009034141A1 - Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009034141A1
Application number: DE102009034141A
Authority: DE
Inventors: Peter Schätzel; Gerhard Ludwig; Dieter Hofmann; Beate Zika-Beyerlein
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Um ein Gehäuse für eine elektronische Vorrichtung, umfassend mindestens eine Wärmeisolierung, innerhalb welcher eine Aufnahme für die elektrochemische Vorrichtung ausgebildet ist, und mindestens eine Verspannungsvorrichtung zum Veerspannen der elektrochemischen Vorrichtung gegen das Gehäuse, zu schaffen, welches es ermöglicht, die elektrochemische Vorrichtung in einfacher Weise mit einer gut defineirten Verspannkraft zu beaufschlagen, wird vorgeschlagen, dass die Verspannungsvorrichtung eine außerhalb der Wärmeisolierung angeordnete externe Trägerstruktur und mindestens ein Federelement, mittels welchem die elektrochemische Vorrichtung gegen die externe Trägerstruktur verspannbar ist, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung, das mindestens eine Wärmeisolierung, innerhalb welcher eine Aufnahme für die elektrochemische Vorrichtung ausgebildet ist, und mindestens eine Verspannungsvorrichtung zum Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung gegen das Gehäuse umfasst.
Insbesondere Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellenstacks, die aus einer Vielzahl übereinander gestapelter Brennstoffzelleneinheiten gebildet sind, müssen ab dem Zeitpunkt der Herstellung des Stacks immer unter einer Vorspannung stehen. Während der Montagephase kann die Verspannung der Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstacks gegeneinander mit Hilfe zweier Stack-Endplatten realisiert werden, zwischen denen die Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sind und die mittels Federelementen gegeneinander verspannt werden.
Im Falle einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur im Bereich von ungefähr 600°C bis ungefähr 1.000°C muss vor der Inbetriebnahme ein Umspannen von einer solchen internen Verspannvorrichtung zu einer weiter außen liegenden Verspannung erfolgen, weil die Federkräfte der internen Verspannvorrichtung durch die Temperaturerhöhung von der Umgebungstemperatur auf die Betriebstemperatur abnehmen würden.
Es ist bekannt, eine externe Verspannung des Brennstoffzellenstacks im Betriebszustand dadurch zu erreichen, dass ein Oberteil einer Wärmeisolierung und ein Unterteil einer Wärmeisolierung mittels vier Federelementen, welche an der Außenseite der Wärmeisolierung angeordnet sind und einander paarweise gegenüberliegen, gegeneinander zu verspannen, wobei diese Verspannkraft dann indirekt über eine Deckenwand des Oberteils der Wärmeisolierung und eine Bodenwand des Unterteils der Wärmeisolierung auf den innerhalb der Wärmeisolierung angeordneten Brennstoffzellenstack übertragen wird.
Hierbei neigt jedoch die Wärmeisolierung, welche den Brennstoffzellenstack indirekt mit der Verspannkraft beaufschlagt, zu einem nicht definierten, konvexen Ausbeulen, so dass auch die auf den Brennstoffzellenstack einwirkende Verspannkraft weder hinsichtlich ihrer Richtung noch hinsichtlich ihres Betrages gut definiert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die elektrochemische Vorrichtung in einfacher Weise mit einer gut definierten Verspannkraft zu beaufschlagen.
Diese Aufgabe wird bei einem Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verspannungsvorrichtung eine außerhalb der Wärmeisolierung angeordnete externe Trägerstruktur und mindestens ein Federelement, mittels welchem die elektrochemische Vorrichtung gegen die externe Trägerstruktur verspannbar ist, umfasst.
Die externe Trägerstruktur der erfindungsgemäßen Verspannungsvorrichtung muss keine wärmeisolierende Funktion übernehmen, weshalb es nicht erforderlich ist, dass diese externe Trägerstruktur die elektrochemische Vorrichtung vollständig einschließt.
Vielmehr kann die externe Trägerstruktur als ein offenes Gerüst ausgebildet sein, dessen Bestandteile eine so große Steifigkeit aufweisen, dass eine unkontrollierte Verformung der externen Trägerstruktur unter der Einwirkung der Verspannkraft ausgeschlossen ist.
Die externe Trägerstruktur bildet somit ein stabiles Widerlager, gegen welche die elektrochemische Vorrichtung mittels des Federelements verspannt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Verspannungsvorrichtung wird die von dem Federelement erzeugte Verspannkraft direkt in die elektrochemische Vorrichtung eingeleitet und nicht indirekt über die Wärmeisolierung.
Die Wärmeisolierung muss daher bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse keine Verspannkraft aufnehmen und weiterleiten, weshalb die Wärmeisolierung keinen besonderen mechanischen Festigkeitsanforderungen genügen muss.
Die externe Trägerstruktur des erfindungsgemäßen Gehäuses befindet sich außerhalb der Wärmeisolierung und somit außerhalb des Bereiches, welcher im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist. Die externe Trägerstruktur muss daher keine besondere Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Die externe Trägerstruktur kann dazu ausgebildet sein, die Wärmeisolierung zu tragen, welche aus mehreren Einzelteilen, insbesondere aus mehreren Schalenelementen, zusammengesetzt sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verspannungsvorrichtung mindestens ein Druckverteilungselement umfasst, mittels welchem eine von dem mindestens einen Federelement auf das Druckverteilungselement ausgeübte Verspannkraft flächig auf die elektrochemische Vorrichtung übertragbar ist.
Dieses Druckverteilungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Druckverteilungselement zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, innerhalb der Wärmeisolierung angeordnet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Verspannungsvorrichtung mindestens ein Druckaufnahmeelement umfasst, mittels welchem eine von dem mindestens einen Federelement auf die elektrochemische Vorrichtung ausgeübte Verspannkraft flächig von der elektrochemischen Vorrichtung aufnehmbar und auf die externe Trägerstruktur übertragbar ist.
Das Druckaufnahmeelement kann dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Druckaufnahmeelement zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, innerhalb der Wärmeisolierung angeordnet.
Das Druckverteilungselement und/oder das Druckaufnahmeelement können mindestens eine Führungseinrichtung zum Führen der elektrochemischen Vorrichtung beim Einbringen in die Aufnahme des Gehäuses aufweisen.
Eine solche Führungseinrichtung kann insbesondere mindestens eine Führungsschiene und/oder mindestens eine Führungsnut umfassen.
Grundsätzlich könnte die Verspannungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Gehäuses mehrere Federelemente umfassen, welche in Bezug auf die elektrochemische Vorrichtung außermittig angeordnet sind.
Günstig ist es jedoch, wenn mindestens ein Federelement relativ zu der externen Trägerstruktur so angeordnet und ausgerichtet ist, dass es im verspannten Zustand an einem zentralen Bereich der elektrochemischen Vorrichtung oder eines Druckverteilungselements, mittels welchem eine von dem mindestens einen Federelement ausgeübte Verspannkraft auf die elektrochemische Vorrichtung übertragbar ist, angreift.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Federelement im Wesentlichen mittig an der elektrochemischen Vorrichtung oder an dem Druckverteilungselement angreift.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Längsachse des mindestens einen Federelements im Wesentlichen koaxial zu einer Längsmittelachse der elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet und angeordnet ist.
Wenn die elektrochemische Vorrichtung bzw. das Druckverteilungselement eine Druckübertragungsfläche aufweist, an welcher das mindestens eine Federelement angreift, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Abstand des Angriffspunktes des Federelements vom Mittelpunkt der Druckübertragungsfläche kleiner als die Hälfte der kleinsten Kantenlänge der Druckübertragungsfläche, vorzugsweise kleiner als ein Viertel der kleinsten Kantenlänge der Druckübertragungsfläche, ist.
Durch die zentrale Einleitung der Federkraft in die elektrochemische Vorrichtung wird ein Verkanten der elektrochemischen Vorrichtung und/oder des Federelements beim Verspannen verhindert.
Ferner wird erreicht, dass die Verspannkraft genau in Richtung der Längsmittelachse der elektrochemischen Vorrichtung in die elektrochemische Vorrichtung eingeleitet wird.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Position des mindestens einen Federelements relativ zu der externen Trägerstruktur längs der Verspannrichtung einstellbar ist.
Hierdurch kann die Position des Federelements in einer Längsrichtung des Gehäuses und/oder in einer Längsrichtung der elektrochemischen Vorrichtung so eingestellt werden, dass genau die gewünschte Verspannkraft von dem Federelement auf die elektrochemische Vorrichtung ausgeübt wird, unabhängig von Fertigungstoleranzen der zu verspannenden Baugruppen, insbesondere unabhängig von Fertigungstoleranzen der externen Trägerstruktur, der elektrochemischen Vorrichtung und der Wärmeisolierung.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Federelement ein Gewinde aufweist, welches mit einem Gewinde der externen Trägerstruktur so zusammenwirkt, dass die Position des mindestens einen Federelements relativ zu der externen Trägerstruktur längs der Verspannrichtung einstellbar ist.
Ferner ist es günstig, wenn die Wärmeisolierung eine Durchtrittsöffnung für den Durchtritt des mindestens einen Federelements durch die Wärmeisolierung aufweist. Hierdurch ist es möglich, das Federelement zumindest teilweise außerhalb der Wärmeisolierung und somit außerhalb des einer erhöhten Betriebstemperatur ausgesetzten Bereiches des Gehäuses anzuordnen und das Federelement dennoch direkt in Kontakt mit der elektrochemischen Vorrichtung oder mit einem zwischen der elektrochemischen Vorrichtung und dem Federelement angeordneten Druckverteilungselement zu bringen.
Das Federelement kann grundsätzlich beliebig aufgebaut sein, solange es zur Erzeugung einer ausreichenden Verspannkraft geeignet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Federelement eine Schraubenfeder, eine Gasdruckfeder und/oder eine hydraulische Feder umfasst.
Durch Wahl eines Federelements mit geringer Federrate lässt sich der Kraftanstieg bei einer Wärmeausdehnung der elektrochemischen Vorrichtung auf ein Minimum reduzieren, d. h. der Anstieg der Verspannkraft aufgrund der Wärmeausdehnung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung ist dann nur gering.
Die Wärmeisolierung des erfindungsgemäßen Gehäuses kann mindestens ein Schalenelement umfassen, welches mindestens eine metallische Lage und mindestens eine wärmeisolierende Lage aufweist.
Ein solches Schalenelement umgibt die Aufnahme für die elektrochemische Vorrichtung zumindest teilweise.
Vorzugsweise weist das Schalenelement zwei metallische Lagen auf, zwischen denen eine wärmeisolierende Lage eingeschlossen ist.
Vorzugsweise umfasst die Wärmeisolierung mindestens ein Schalenelement, welches an der externen Trägerstruktur, vorzugsweise lösbar, festgelegt ist.
Dabei kann das Schalenelement beispielsweise durch Verschraubung an der externen Trägerstruktur festgelegt sein.
Ferner ist es möglich, das Schalenelement durch flexible Verbindungseinrichtungen an der Trägerstruktur festzulegen, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Schalenelement und der externen Trägerstruktur aufgrund einer unterschiedlichen Wärmedehnung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht ist.
Dadurch, dass das mindestens eine Schalenelement von der externen Trägerstruktur getragen wird, sind an die mechanische Festigkeit des Schalenelements, welches einen Bestandteil der Wärmeisolierung des Gehäuses bildet, geringere Anforderungen zu stellen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Wärmeisolierung mindestens zwei Schalenelemente, die beide an der externen Trägerstruktur festgelegt sind und einander an ihren Randbereichen zumindest abschnittsweise überlappen, so dass eine Relativbewegung der Schalenelemente zueinander aufgrund einer unterschiedlichen Wärmedehnung im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht ist.
Ferner ist es günstig, wenn die Wärmeisolierung mindestens ein Schalenelement umfasst, das nach dem Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung gegen die externe Trägerstruktur an der externen Trägerstruktur und/oder an einem anderen Schalenelement der Wärmeisolierung anordenbar ist.
Hierdurch ist es möglich, die die elektrochemische Vorrichtung umschließende Wärmeisolierung erst nach dem Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung gegen die externe Trägerstruktur mittels der externen Verspannungsvorrichtung zu schließen, so dass vor dem Schließen der Wärmeisolierung eine die elektrochemische Vorrichtung unter Vorspannung setzende interne Verspannvorrichtung ganz oder teilweise von der elektrochemischen Vorrichtung entfernt werden kann.
Da sich die externe Trägerstruktur und die Wärmeisolierung aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen, welchen diese Elemente des Gehäuses im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung ausgesetzt sind, und/oder aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungskoeffizienten unterschiedlich ausdehnen können, ist es günstig, wenn das Gehäuse ein Wärmedehnungsbegrenzungselement aufweist, welches eine Relativbewegung zwischen der Wärmeisolierung und der externen Trägerstruktur aufgrund einer Wärmedehnung begrenzt.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Wärmeisolierung mindestens eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche eine Verbindungsleitung der elektrochemischen Vorrichtung hindurchgeführt ist.
Solche Verbindungsleitungen können beispielsweise Zuführleitungen oder Abführleitungen für Edukte bzw. Produkte der elektrochemischen Vorgänge in der elektrochemischen Vorrichtung oder aber elektrische Versorgungsleitungen, elektrische Signalleitungen oder Leitungen anderer Art sein.
Mindestens eine solche Verbindungsleitung kann mit einer wärmeisolierenden Lage versehen sein, wobei die wärmeisolierende Lage durch eine Fixierhülse an der Verbindungsleitung gesichert ist. Die wärmeisolierende Lage kann insbesondere aus mehreren, beispielsweise zwei, Schalenelementen zusammengesetzt sein, welche durch die Fixierhülse relativ zueinander und relativ zu der Verbindungsleitung fixiert werden.
Die Fixierhülse kann einen in radialer Richtung vorstehenden Bund aufweisen, der eine Verschiebung der wärmeisolierenden Lage relativ zu der Fixierhülse in der axialen Richtung der Fixierhülse verhindert.
Ferner kann das erfindungsgemäße Gehäuse mindestens ein Abdeckelement umfassen, welches sich über ein nach außerhalb der Wärmeisolierung weisendes Ende der wärmeisolierenden Lage an mindestens einer Verbindungsleitung der elektrochemischen Vorrichtung erstreckt.
Wenn die in die Aufnahme der Wärmeisolierung einzubringende elektrochemische Vorrichtung eine interne Verspannvorrichtung umfasst, welche die elektrochemische Vorrichtung unter eine Vorspannung setzt, bevor die elektrochemische Vorrichtung mittels der externen Verspannungsvorrichtung des Gehäuses gegen die externe Trägerstruktur verspannt wird, so ist es günstig, wenn die interne Verspannvorrichtung mindestens ein Federelement umfasst, dessen maximaler Federweg durch ein Federwegbegrenzungselement begrenzt ist.
Ein solches Federwegbegrenzungselement kann beispielsweise durch eine Distanzhülse gebildet sein.
Durch die Begrenzung des maximalen Federwegs durch das Federwegbegrenzungselement wird erreicht, dass der Verspannweg der internen Verspannvorrichtung begrenzt ist und somit eine gut definierte Verspannkraft eingestellt werden kann.
Ferner kann das Federelement durch das Federwegbegrenzungselement, insbesondere die Distanzhülse, axial geführt sein, wodurch ein seitliches Verschieben und/oder Verkanten des Federelements während oder nach dem Aufbringen der Vorspannung verhindert wird.
Das externe Verspannungssystem des erfindungsgemäßen Gehäuses ist im Hinblick auf eine Leistungssteigerung, d. h. eine Erhöhung der Bauhöhe der elektrochemischen Vorrichtung, leicht anpassbar. Baut die elektrochemische Vorrichtung höher auf, so können ein Druckverteilungselement und/oder ein Druckaufnahmeelement niedriger ausgebildet werden, und die Position des Federelements relativ zu der externen Trägerstruktur kann verändert werden, um die Position des Federelements (unter Beibehaltung der gewünschten Verspannkraft) der neuen Gesamthöhe der elektrochemischen Vorrichtung sowie des Druckverteilungselements und/oder des Druckaufnahmeelements anzupassen.
Der Konturverlauf der Schalenelemente, aus denen die Wärmeisolierung gebildet ist, ist so gestaltet, dass nach dem Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung gegen die externe Trägerstruktur eine Zugänglichkeit zu der internen Verspannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung für deren Demontage gewährleistet ist.
Die elektrochemische Vorrichtung kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung sein, in welcher elektrochemische Vorgänge ablaufen, insbesondere eine Wandlung von elektrischer Energie in chemische Energie oder eine Wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.
Die elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise als eine Batterie oder ein Akkumulator ausgebildet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die elektrochemische Vorrichtung als eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Reformereinheit, ausgebildet ist.
Wenn die interne Verspannvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung vor dem Schließen der Wärmeisolierung demontierbar ist, so bietet dies den Vorteil, dass die Wärmeisolierung keine Durchbrüche aufweisen muss, durch welche hindurch Federelemente der internen Verspannvorrichtung demontiert und entnommen werden können.
Durch die Verwendung eines mittig an der elektrochemischen Vorrichtung oder einem Druckverteilungselement angreifenden Federelements in der externen Verspannungsvorrichtung wird ein Verkanten des Federelements relativ zu der elektrochemischen Vorrichtung vermieden.
Ein Federwegbegrenzungselement in der internen Verspannvorrichtung verhindert, dass die elektrochemische Vorrichtung mit undefinierter oder nicht reproduzierbarer Verspannkraft verspannt wird.
Durch eine mittige Beaufschlagung der elektrochemischen Vorrichtung mit der Verspannkraft durch die externe Verspannungsvorrichtung wird vermieden, dass Verspannkräfte über außenliegende Ränder der elektrochemischen Vorrichtung eingeleitet werden, was zu einer punktförmigen Pressung der elektrochemischen Vorrichtung an diesen Rändern führen würde. Eine solche punktförmige Pressung könnte zu Undichtigkeiten und zu nicht ausreichenden Verspannkräften an anderen Bereichen der Außenkontur der elektrochemischen Vorrichtung führen.
Durch die Wärmeisolierung der Verbindungsleitungen der elektrochemischen Vorrichtung, welche vom Innenraum der Wärmeisolierung in deren Außenraum führen, wird der Wärmetransport über diese Verbindungsleitungen reduziert und damit der Wirkungsgrad der elektrochemischen Vorrichtung erhöht.
Außerdem wird durch die Wärmeisolierung der Verbindungsleitungen erreicht, dass diese Verbindungsleitungen, insbesondere elektrische Verbindungsleitungen, vor der Einwirkung zu hoher Temperaturen geschützt werden, so dass insbesondere Ausfälle von empfindlicher Elektronik vermieden werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Gehäuses für eine elektrochemische Vorrichtung, das eine externe Trägerstruktur und eine Wärmeisolierung aus einem hinteren Schalenelement und einem vorderen Schalenelement umfasst, mit der Blickrichtung auf eine Vorderseite des Gehäuses;
2 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses aus 1, mit der Blickrichtung auf eine Rückseite des Gehäuses;
3 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses aus den 1 und 2, mit der Blickrichtung auf eine Oberseite des Gehäuses;
4 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses aus den 1 bis 3, mit der Blickrichtung auf eine Unterseite des Gehäuses;
5 eine schematische perspektivische Darstellung des vorderen Schalenelements der Wärmeisolierung;
6 eine schematische perspektivische Darstellung des hinteren Schalenelements der Wärmeisolierung;
7 eine schematische Draufsicht von vorne auf ein Abdeckelement des Gehäuses;
8 eine schematische perspektivische Darstellung eines vorderen Wärmeisolierungskörpers;
9 eine schematische perspektivische Darstellung eines hinteren Wärmeisolierungskörpers;
10 eine schematische perspektivische Darstellung eines Druckverteilungskörpers;
11 eine schematische perspektivische Darstellung eines Druckaufnahmekörpers;
12 eine schematische perspektivische Darstellung von Rohrisolierungen des Gehäuses;
13 eine schematische perspektivische Darstellung von Dichtungselementen des Gehäuses;
14 eine schematische perspektivische Darstellung der externen Trägerstruktur des Gehäuses;
15 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wärmedehnungsbegrenzungselements des Gehäuses;
16 eine schematische perspektivische Darstellung von Druckplatten des Gehäuses;
17 eine schematische Darstellung eines Federelements einer externen Verspannungsvorrichtung des Gehäuses;
18 eine schematische perspektivische Darstellung eines Stackmoduls einer als Brennstoffzellensystem ausgebildeten elektrochemischen Vorrichtung, mit einer internen Verspannungsvorrichtung, welche vier Federelemente umfasst;
19 einen schematischen Längsschnitt durch eines der Federelemente der internen Verspannungsvorrichtung aus 18;
20 eine schematische perspektivische Darstellung der externen Trägerstruktur, des hinteren Schalenelements, des hinteren Wärmeisolierungskörpers und eines Druckaufnahmeelements des Gehäuses in einem Montage-Anfangszustand, vor dem Einbringen der elektrochemischen Vorrichtung;
21 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Einbringen der elektrochemischen Vorrichtung in eine Aufnahme der Wärmeisolierung;
22 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Einbringen eines Druckverteilungselements;
23 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Montieren des Federelements der externen Verspannungsvorrichtung;
24 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Entfernen der Federelemente der internen Verspannungsvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung;
25 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Anordnen von Wärmeisolierungselementen auf Verbindungsleitungen der elektrochemischen Vorrichtung;
26 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Anordnen des vorderen Schalenelements an der externen Trägerstruktur;
27 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Anordnen der Dichtungselemente an den Wärmeisolierungselementen der Verbindungsleitungen der elektrochemischen Vorrichtung;
28 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Zwischenzustand, nach dem Anordnen der Abdeckung an dem vorderen Schalenelement;
29 eine schematische perspektivische Darstellung des Gehäuses in einem Montage-Endzustand, nach dem Anordnen des Wärmedehnungsbegrenzungselements an der externen Trägerstruktur;
30 eine schematische perspektivische Darstellung einer Verbindungsleitung der elektrochemischen Vorrichtung, nachdem ein erstes halbrohrförmiges Isolierungselement an der Verbindungsleitung angeordnet worden ist;
31 eine schematische perspektivische Darstellung der Verbindungsleitung aus 30, nachdem ein zweites halbrohrförmiges Isolierungselement an der Verbindungsleitung angeordnet worden ist; und
32 eine schematische perspektivische Darstellung der Verbindungsleitung aus den 30 und 31, nachdem eine Fixierhülse an den beiden halbrohrförmigen Isolierungselementen angeordnet worden ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in den 1 bis 4 insgesamt dargestelltes, als Ganzes mit 100 bezeichnetes Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung 102 (siehe 21) umfasst eine als Ganzes mit 104 bezeichnete Wärmeisolierung, innerhalb welcher eine Aufnahme 106 für die elektrochemische Vorrichtung 102 ausgebildet ist (siehe 21), und eine als Ganzes mit 108 bezeichnete Verspannungsvorrichtung zum Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung 102 gegen das Gehäuse 100, wobei die Verspannungsvorrichtung 108 ihrerseits eine außerhalb der Wärmeisolierung 104 angeordnete externe Trägerstruktur 112 und ein Federelement 110, mittels welchem die elektrochemische Vorrichtung 102 gegen die externe Trägerstruktur 112 verspannbar ist, umfasst.
Die externe Trägerstruktur 112 ist einzeln in 14 dargestellt und umfasst einen Tragrahmen 114, der aus mehreren, beispielsweise vier, sich in einer (beispielsweise vertikalen) Längsrichtung 116 des Gehäuses 100 erstreckenden Längsträgern 118 gebildet ist, welche jeweils paarweise durch mehrere, beispielsweise jeweils zwei, sich in einer senkrecht zur Längsrichtung 116 ausgerichteten ersten Querrichtung 120 des Gehäuses 100 erstreckende erste Querträger 122 miteinander verbunden sind.
Jeder Längsträger 118a des ersten Paars von Längsträgern 118 ist an seinem unteren Ende über einen zweiten Querträger 124, welcher sich in einer senkrecht zur Längsrichtung 116 und senkrecht zur ersten Querrichtung 120 des Gehäuses 100 ausgerichteten zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 erstreckt, mit einem unteren Ende eines der Längsträger 118b des zweiten Paars von Längsträgern 118 verbunden.
An jedem der zweiten Querträger 124 sind jeweils mehrere, beispielsweise zwei, in der Längsrichtung 116 des Gehäuses 100 nach unten weisende Standfüße 128 angeordnet, mittels welchen das Gehäuse auf einem Untergrund aufstellbar ist.
Die Längsträger 118, die ersten Querträger 122 und die zweiten Querträger 124 können insbesondere aus Vierkantprofilen, insbesondere aus massiven Vierkantprofilen, gebildet sein.
Die Längsträger 118 sind beispielsweise durch Verschraubung oder Verschweißung mit den ersten Querträgern 122 und den zweiten Querträgern 124 verbunden.
Die oberen Ende der Längsträger 118 sind über ein, beispielsweise plattenförmig ausgebildetes, Federaufnahmeelement 130 miteinander verbunden.
Das Federaufnahmeelement 130 kann insbesondere mit den Längsträgern 118 verschraubt sein.
Das Federaufnahmeelement 130 ist in seinem mittigen Bereich, also dort, wo sich die Verbindungsgeraden schneiden, welche die oberen Enden einander diametral gegenüberliegender Längsträger 118 miteinander verbinden, mit einem sich in der Längsrichtung 116 erstreckenden Gewinde-Durchgangsloch 132 versehen, welches ein Innengewinde aufweist.
Zwischen dem Federaufnahmeelement 130 und den zweiten Querträgern 124 ist an den Längsträgern 118 der externen Trägerstruktur 112 ein Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 angeordnet.
Das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 ist vorzugsweise durch Verschraubung an jedem der vier Längsträger 118 der externen Trägerstruktur 112 lösbar festgelegt.
Das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 ist vorzugsweise im oberen Viertel der Längsträger 118 angeordnet und erstreckt sich vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung 116 des Gehäuses 100.
Das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 ist beispielsweise spangenförmig ausgebildet und umfasst einen Stegbereich 136, welcher außermittig an dem Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 vorgesehen ist und von welchem sich zwei kurze Schenkel 138 im Wesentlichen in der zweiten Querrichtung 126 bis zu den Längsträgern 118a des ersten Paars von Längsträgern 118 und zwei lange Schenkel 140 ebenfalls im Wesentlichen in der zweiten Querrichtung 126 bis zu den Längsträgern 118b des zweiten Paars von Längsträgern 118 erstrecken.
Der Zwischenraum zwischen den beiden langen Schenkeln 140 des Wärmedehnungsbegrenzungselements 134 dient als Durchtrittsbereich 142 für den Durchtritt des in 17 einzeln dargestellten externen Federelements 110 durch das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 in der Längsrichtung 116 des Gehäuses 100.
Das externe Federelement 110 kann beispielsweise eine Schraubenfeder, eine Gasdruckfeder oder eine hydraulische Feder umfassen.
In dem in 17 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das externe Federelement 110 eine Schrauben-Druckfeder 144.
Die Schrauben-Druckfeder 144 ist in einer Führungshülse 146 geführt und stützt sich mit ihrem in der Längsrichtung 116 oben liegenden Ende an einem im Wesentlichen zylindrischen Sockel 148 und mit ihrem in der Längsrichtung 116 unten liegenden Ende an einem ringförmigen Bund 150 ab, welcher in radialer Richtung von der Mantelfläche eines im Wesentlichen zylindrischen Stößels 152 vorsteht.
Der ringförmige Bund 150 ist mit seiner Mantelfläche an der Innenseite der Führungshülse 146 geführt.
Der Stößel 152 erstreckt sich in der Längsrichtung 116 und steht nach unten über das untere Ende der Führungshülse 146 über.
Der Sockel 148 liegt mit seiner Oberseite an einem Deckel 154 an, welcher das obere Ende der Führungshülse 146, welches dem Stößel 152 abgewandt ist, verschließt.
Die Führungshülse 146 ist von einem mit derselben koaxial ausgerichteten und angeordneten, im Wesentlichen hohlzylindrischen Federgehäuse 156 umgeben, welches in 17 zumindest teilweise transparent dargestellt ist und sich von dem Deckel 154 bis zum unteren Ende der Führungshülse 146 erstreckt.
An seiner Mantelfläche ist dieses Federgehäuse 156 mit einem (nicht dargestellten) Außengewinde versehen, welches in das Innengewinde des Gewinde-Durchgangslochs 132 in dem Federaufnahmeelement 130 eindrehbar ist.
Dadurch, dass das externe Federelement 110 um eine gewünschte Strecke in das Gewinde-Durchgangsloch 132 des Federaufnahmeelements 130 eingedreht wird, kann die Höhe des Federelements 110, d. h. dessen Position relativ zu der externen Trägerstruktur 112 längs der Längsrichtung 116, in gewünschter Weise einjustiert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die von dem externen Federelement 110 auf die elektrochemische Vorrichtung 102 ausgeübte Spannkraft auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Das externe Federelement 110 wird von oben, d. h. von der der Wärmeisolierung 104 abgewandten Oberseite des Federaufnahmeelements 130 her, in das Gewinde-Durchgangsloch 132 eingedreht und in der gewünschten Höhenposition mittels einer ebenfalls in das Außengewinde des Federgehäuses 156 eingedrehten Überwurfmutter 158 gekontert und so in der gewünschten Höhenposition fixiert.
Im Montage-Endzustand liegt die Überwurfmutter 158 mit ihrer Oberseite 160 an der Unterseite des Federaufnahmeelements 130 an.
Um die von dem externen Federelement 110 ausgeübte Verspannkraft möglichst großflächig und gleichmäßig auf die elektrochemische Vorrichtung 102 übertragen zu können, umfasst die Verspannungsvorrichtung 108 ferner ein als Ganzes mit 162 bezeichnetes Druckverteilungselement 162, welches einen in 10 dargestellten Druckverteilungskörper 164 und eine in 16 oben dargestellte obere Druckplatte 166 umfasst.
Im montierten Zustand des Gehäuses 100 sind der Druckverteilungskörper 164 und die obere Druckplatte 166 zwischen dem externen Federelement 110 und der elektrochemischen Vorrichtung 102 angeordnet, wobei die obere Druckplatte 166 von dem Federelement 110 mit der Verspannkraft beaufschlagt wird und die Verspannkraft auf den darunter angeordneten Druckverteilungskörper 164 überträgt. Der Druckverteilungskörper 164 gibt die Verspannkraft über eine im Wesentlichen ebene Druckverteilungsfläche 168 an seiner Unterseite an die elektrochemische Vorrichtung 102 weiter.
Wie aus 10 zu ersehen ist, umfasst der Druckverteilungskörper 164 einen im Wesentlichen quaderförmigen unteren Abschnitt 170, dessen Unterseite die Druckverteilungsfläche 168 bildet, und einen im Wesentlichen quaderförmigen oberen Abschnitt 172, welcher von dem unteren Abschnitt 170 getragen wird und eine größere Kantenlänge aufweist als der untere Abschnitt 170.
An der Oberseite 174 des oberen Abschnitts 172 des Druckverteilungskörpers 164 liegt im montierten Zustand des Gehäuses 100 die im Wesentlichen quaderförmige obere Druckplatte 166 mit ihrer Unterseite 176 an.
Mit der Oberseite 178 der oberen Druckplatte 166 kommt im montierten Zustand des Gehäuses 100 der Stößel 152 des externen Federelements 110 in Kontakt.
Um die mittels des Druckverteilungselements 162 von dem externen Federelement 110 auf die elektrochemische Vorrichtung 102 ausgeübte Verspannkraft möglichst großflächig und gleichmäßig von der elektrochemischen Vorrichtung 102 aufnehmen und auf die externe Trägerstruktur 112 übertragen zu können, umfasst die Verspannungsvorrichtung 108 ferner ein als Ganzes mit 178 bezeichnetes Druckaufnahmeelement, welches seinerseits einen in 11 dargestellten Druckaufnahmekörper 180 sowie eine in 16 unten dargestellte mittlere Druckplatte 182 und eine ebenfalls in 16 unten dargestellte untere Druckplatte 184 umfasst.
Im montierten Zustand des Gehäuses 100 liegt die elektrochemische Vorrichtung 102 mit einer Unterseite an ihrem unteren Ende an einer Oberseite 186 der mittleren Druckplatte 182 an.
Wie am besten aus 22 zu ersehen ist, greifen dabei seitlich vorstehende Führungsleisten 188 der elektrochemischen Vorrichtung 102, welche sich in der ersten Querrichtung 120 erstrecken, in seitlich an der mittleren Druckplatte 182 angeordnete Führungsschienen 190 ein, welche sich ebenfalls in der ersten Querrichtung 120 erstrecken und einen L-förmigen Querschnitt aufweisen, so dass die Führungsschienen 190 die jeweils zugeordnete Führungsleiste 188 der elektrochemischen Vorrichtung 102 übergreifen. Hierdurch sind die Führungsleisten 188 in den Führungsschienen 190 geführt und die elektrochemische Vorrichtung 102 gegen ein Abheben von dem Druckaufnahmeelement 178 gesichert.
Die Führungsleisten 188 der elektrochemischen Vorrichtung 102 können insbesondere von einer Vorderseite des Druckaufnahmeelements 178 her in der ersten Querrichtung 120 in die Führungsschienen 190 eingeschoben und dadurch auf das Druckaufnahmeelement 178 aufgeschoben werden.
Eine Unterseite 192 der mittleren Druckplatte 182 stützt sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 auf einer Oberseite 194 des in 11 dargestellten Druckaufnahmekörpers 180 ab.
Der Druckaufnahmekörper 180 umfasst einen im Wesentlichen quaderförmigen oberen Abschnitt 196, einen sich an den oberen Abschnitt 196 nach unten anschließenden, ebenfalls im Wesentlichen quaderförmigen mittleren Abschnitt 198 und einen sich an den mittleren Abschnitt 198 nach unten anschließenden, ebenfalls im Wesentlichen quaderförmigen unteren Abschnitt 200.
Der mittlere Abschnitt 198 weist dabei eine größere Kantenlänge auf als der obere Abschnitt 196 und der untere Abschnitt 200 des Druckaufnahmekörpers 180, so dass der mittlere Abschnitt 198 seitlich über den oberen Abschnitt 196 und über den unteren Abschnitt 200 übersteht.
Eine Unterseite 202 des unteren Abschnitts 200 des Druckaufnahmekörpers 180 stützt sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 an einer Oberseite 204 der in 16 unten dargestellten, im Wesentlichen quaderförmigen unteren Druckplatte 184 ab.
Eine Unterseite 206 der unteren Druckplatte 184 stützt sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 an einer Oberseite einer Bodenwand 208 eines in 6 separat dargestellten hinteren Schalenelements 210 der Wärmeisolierung 104 ab.
Die Bodenwand 208 des hinteren Schalenelements 210 ruht auf den zweiten Querträgern 124 des Tragrahmens 114 der externen Trägerstruktur 112, welche über die Längsträger 118 des Tragrahmens 114 mit dem das Federelement 110 haltenden Federaufnahmeelement 130 verbunden sind, so dass die externe Trägerstruktur 112 ein Widerlager für die Verspannung der elektrochemischen Vorrichtung 102 mittels des externen Federelements 110 bildet.
Insgesamt wird somit im montierten Zustand des Gehäuses 100 die von dem externen Federelement 110 ausgeübte Verspannkraft mittels des Druckverteilungselements 162 auf die elektrochemische Vorrichtung 102 übertragen, und die auf die elektrochemische Vorrichtung 102 übertragene Verspannkraft wird von dem Druckaufnahmeelement 178 aufgenommen und auf die externe Trägerstruktur 112 übertragen.
Das in 6 einzeln dargestellte hintere Schalenelement 210 umfasst außer der Bodenwand 208, welche sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur ersten Querrichtung 120 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 erstreckt, eine an die Bodenwand 208 angrenzende Rückwand 212, welche sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur Längsrichtung 116 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 erstreckt, zwei an die Bodenwand 208 und an die Rückwand 212 angrenzende Seitenwände 214, welche sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur Längsrichtung 116 und parallel zur ersten Querrichtung 120 des Gehäuses 100 erstrecken, und eine an die Rückwand 212 und an die beiden Seitenwände 214 angrenzende Deckenwand 216, welche im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur ersten Querrichtung 120 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 verläuft und im Wesentlichen parallel zur Bodenwand 208 des hinteren Schalenelements 210 ausgerichtet ist.
Alle Wände des hinteren Schalenelements 210 sind vorzugsweise einstückig miteinander ausgebildet.
Die Wände des hinteren Schalenelements 210 sind vorzugsweise aus zwei metallischen Lagen, zwischen denen eine wärmeisolierende Lage eingeschlossen ist, gebildet.
Die beiden metallischen Decklagen können insbesondere aus einem Stahlblech gebildet sein, beispielsweise aus dem feueraluminisierten Stahlblech mit der Bezeichnung ST 37 (nach der Norm DIN EN 10143), das mit einer Aluminiumbeschichtung mit der Bezeichnung AS 120 gemäß der Norm DIN EN 10327 beschichtet ist.
Die Beschichtungsstärke kann dabei ungefähr 120 mg Aluminium pro m² Stahlblech betragen.
Das Stahlblech kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweisen: maximal 0,12 Gewichtsprozent C; maximal 0,5 Gewichtsprozent Si; maximal 0,6 Gewichtsprozent Mn; maximal 0,10 Gewichtsprozent P; maximal 0,045 Gewichtsprozent S; Rest Eisen.
Die Dicke jeder metallischen Lage beträgt vorzugsweise von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 0,8 mm, beispielsweise ungefähr 0,4 mm.
Die Dicke der zwischen den metallischen Lagen angeordneten wärmeisolierenden Lage beträgt vorzugsweise von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 2 mm.
Die wärmeisolierende Lage kann insbesondere aus einem wärmeisolierenden Weichstoff gebildet sein.
Dieser wärmeisolierende Weichstoff kann beispielsweise ein Zellulose enthaltender Dämmstoff sein.
Als Material für die wärmeisolierende Lage eignet sich insbesondere ein technisches Papier mit der folgenden Zusammensetzung: ungefähr 88 Gewichtsprozent Glimmer; ungefähr 7 Gewichtsprozent Polyacrylonitril; und ungefähr 5 Gewichtsprozent Zellulose.
Die einzelnen Lagen des dreilagigen Wandmaterials des hinteren Schalenelements 210 sind an ihren Außenrändern durch Umbördelung miteinander verbunden.
Das hintere Schalenelement 210 kann aus einem dreilagigen Ausgangsmaterial mit einer geeigneten Außenkontur herausgetrennt und anschließend durch Erzeugung von Biegelinien längs der Geraden, an denen die Bodenwand 208, die Rückwand 212, die Seitenwände 214 und die Deckenwand 216 aneinander angrenzen, in die in 6 dargestellte Form gebracht werden.
Vor oder nach dem Umbiegen können die Wände des hinteren Schalenelements 210 zur Versteifung mit Sicken 218 versehen werden; diese Sicken 218 bilden vorzugsweise eine ringförmig geschlossene Außenkontur eines von der jeweiligen Sicke 218 umschlossenen Bereiches der betreffenden Wand.
Die von den Sicken umschlossenen Bereiche 218 der Wände des hinteren Schalenelements 210 können beispielsweise ungefähr dreieckig, ungefähr kreuzförmig oder ungefähr V-förmig ausgebildet sein.
Zum lösbaren Festlegen des hinteren Schalenelements 210 an der externen Trägerstruktur 112 sind die Wände des hinteren Schalenelements 210 mit gewinkelten Befestigungslaschen 220 an den Seitenwänden 214 versehen.
Ebene Befestigungslaschen 222 dienen zur Verbindung der Seitenwände 214 mit der Bodenwand 208 und mit der Deckenwand 216.
Die Deckenwand 216 des hinteren Schalenelements 210 ist mit einer Durchtrittsöffnung 223 versehen, welche den Durchtritt des externen Federelements 110 durch das hintere Schalenelement 210 im montierten Zustand des Gehäuses 100 ermöglicht, damit das externe Federelement 110 in Kontakt mit der oberen Druckplatte 166 des Druckverteilungselements 162 gebracht werden kann.
Im montierten Zustand des Gehäuses 100 nimmt das hintere Schalenelement 210 den in 9 einzeln dargestellten hinteren Wärmeisolierungskörper 224 auf.
Der hintere Wärmeisolierungskörper 224 weist komplementär zu den Wänden des hinteren Schalenelements 210 ausgebildete Außenflächen und komplementär zu der Außenkontur der elektrochemischen Vorrichtung 102 ausgebildete Innenflächen auf, wobei diese Innenflächen die Aufnahme 106 begrenzen, in welche die elektrochemische Vorrichtung 102 eingebracht werden kann.
Der hintere Wärmeisolierungskörper 224 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet.
Der hintere Wärmeisolierungskörper 224 kann beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Wärmedämmmaterialien gebildet sein:

– aus einem Wärmedämmmaterial auf der Basis von Silikafasern (vorzugsweise shotfrei), welches beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweisen kann: mindestens 93,5 Gewichtsprozent SiO₂; ungefähr 4,0 Gewichtsprozent +/–0,4 Gewichtsprozent Al₂O₃. Die Silikafasern weisen vorzugsweise einen Durchmesser von ungefähr 6 μm bis ungefähr 9 μm auf. Dieses Wärmedämmmaterial weist eine Temperaturbeständigkeit bis ungefähr 1.100°C auf. Ein geeignetes Wärmedämmmaterial dieser Art wird beispielsweise unter der Bezeichnung ”Asglaboard”^® von der Firma ASGLAWO technofibre GmbH, Lindenstraße 2, 09627 Hilbersdorf, Deutschland, vertrieben.
– ein Keramikfaser-Material aus Keramik-Rohfasern und anorganischem und organischem Bindemittel, welches beispielsweise Aluminiumsilikatfasern enthalten kann. Die chemische Zusammensetzung eines solchen Materials ist beispielsweise die folgende: 50,0 bis 54,0 Gewichtsprozent SiO₂; 46,0 bis 50,0 Gewichtsprozent Al₂O₃, weniger als ungefähr 0,25 Gewichtsprozent Alkalien und weniger als 0,5 Gewichtsprozent Fe₂O₃. Die Aluminiumsilikat-Fasern weisen vorzugsweise einen Faserdurchmesser von ungefähr 2,0 μm bis ungefähr 3,0 μm auf. Ein solches Material weist vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit bis zu ungefähr 1.250°C auf. Ein geeignetes Material dieser Art wird beispielsweise unter der Bezeichnung ”isoKERAM”^® von der Firma FRENZELIT-WERKE GmbH & Co. KG, 95460 Bad Berneck, Deutschland, vertrieben.
– ein 2-Komponenten-Keramikschaum, der bei Raumtemperatur aufschäumt und ohne äußere Wärmezufuhr aushärtet. Ein solcher Keramikschaum ist vorzugsweise im Wesentlichen faserfrei ausgebildet und weist eine Temperaturbeständigkeit bis vorzugsweise ungefähr 1.000°C auf. Ein geeigneter Keramikschaum dieser Art wird beispielsweise unter der Bezeichnung ”KERAGUSS S”^® von der Firma KERAGUSS, Martin-Niemöller-Straße 33, 72829 Engstingen, Deutschland, vertrieben.

Der hintere Wärmeisolierungskörper 224 ist als Formteil aus einem der vorstehend genannten Materialien ausgebildet und sowohl an die Form des hinteren Schalenelements 210 als auch an die Form der darin aufzunehmenden elektrochemischen Vorrichtung 102 angepasst.
An seinem oberen Ende weist der hintere Wärmeisolierungskörper 224 eine Aufnahme 228 zur Aufnahme des Druckverteilungselements 162 der Verspannungsvorrichtung 108 auf, welche komplementär zur Außenkontur des Druckverteilungselements 162 ausgebildet ist.
An seinem unteren Ende weist der hintere Wärmeisolierungskörper 224 eine Aufnahme 230 für das Druckaufnahmeelement 178 der Verspannungsvorrichtung 108 auf, welche komplementär zur Außenkontur des Druckaufnahmeelements 178 ausgebildet ist.
Die Wärmeisolierung 104 des Gehäuses 100 umfasst ferner ein in 5 dargestelltes vorderes Schalenelement 232.
Das vordere Schalenelement 232 kann aus demselben Material gebildet sein wie das hintere Schalenelement 210, also insbesondere aus einem dreilagigen Material, welches zwei metallische Decklagen und eine dazwischen angeordnete wärmeisolierende Lage umfasst.
Das vordere Schalenelement 232 umfasst eine Vorderwand 234, welche im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur Längsrichtung 116 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 ausgerichtet ist, eine an einen oberen Rand der Vorderwand 234 angrenzende Deckenwand 236, welche im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur ersten Querrichtung 120 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 ausgerichtet ist, zwei an jeweils einen seitlichen Rand der Vorderwand 234 angrenzende Seitenwände 238, welche im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur Längsrichtung 116 und parallel zur ersten Querrichtung 120ausgerichtet sind, und eine an einen unteren Rand der Vorderwand 234 angrenzende Bodenwand 240, welche im montierten Zustand des Gehäuses 100 parallel zur ersten Querrichtung 120 und parallel zur zweiten Querrichtung 126 des Gehäuses 100 sowie parallel zu der Deckenwand 236 des vorderen Schalenelements 232 ausgerichtet ist.
Um eine Befestigung des vorderen Schalenelements 232 an der externen Trägerstruktur 112 zu ermöglichen, ist das vordere Schalenelement 232 an seinen Seitenwänden 238 mit gewinkelten Befestigungslaschen 242 versehen.
Zur Versteifung können die Wände des vorderen Schalenelements 232, ebenso wie die Wände des hinteren Schalenelements 210, mit Sicken 244 versehen sein, welche jeweils eine ringförmig geschlossene Außenkontur eines Wandabschnitts bilden.
Die von den Sicken umschlossenen Wandabschnitte können beispielsweise ungefähr trapezförmig, ungefähr V-förmig, ungefähr kreuzförmig, ungefähr M-förmig oder unregelmäßig ausgebildet sein.
Um das Hindurchführen von Verbindungsleitungen aus einem von der Wärmeisolierung 104 umgebenen Innenraum des Gehäuses 100 in den außerhalb der Wärmeisolierung 104 liegenden Außenraum des Gehäuses 100 zu ermöglichen, ist die Vorderwand 234 des vorderen Schalenelements 232 mit mehreren Durchgangsöffnungen 246 versehen.
Diese Durchgangsöffnung 246 in dem vorderen Schalenelement 232 können beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Durchgangsöffnungen umfassen:
eine Stromabnehmer-Durchgangsöffnung 248, eine Anodengaseingang-Durchgangsöffnung 250, eine Kathoden-Stack-Eintritt-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 252, eine Kathodenluftbypass-Durchgangsöffnung 254, eine Abgasausgang-Durchgangsöffnung 256, eine Kathodenlufteingang-Durchgangsöffnung 258, eine Regeltemperatur-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 260, eine erste Sammel-Durchgangsöffnung 262 für einen Flammwächter-Temperaturfühler, für einen Glühstift und für Messdrähte, und eine zweite Sammel-Durchgangsöffnung 263 für einen Rezirkulatausgang, für einen Kühllufteingang, für einen Anoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler, für einen Kathoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler und für weitere Messdrähte.
An dem vorderen Schalenelement 232 ist im montierten Zustand des Gehäuses 100 ein in 8 einzeln dargestellter vorderer Wärmeisolierungskörper 264 angeordnet.
Der vordere Wärmeisolierungskörper 264 kann aus denselben wärmeisolierenden Materialien wie der hintere Wärmeisolierungskörper 224 gebildet sein.
Der vordere Wärmeisolierungskörper 264 weist komplementär zu der Innenseite des vorderen Schalenelements 232 ausgebildete Außenflächen auf.
Eine im montierten Zustand des Gehäuses 100 an der Innenseite der Vorderwand 234 des vorderen Schalenelements 232 angeordnete Vorderwand 266 des vorderen Wärmeisolierungskörpers 264 weist im Wesentlichen mit den Durchgangsöffnungen 246 in der Vorderwand 234 des vorderen Schalenelements 232 fluchtende Durchgangsöffnungen 268 auf.
Insbesondere kann die Vorderwand 266 des vorderen Wärmeisolierungskörpers 264 also eine oder mehrere der folgenden Durchgangsöffnungen umfassen:
eine Anodengaseingang-Durchgangsöffnung 270, eine Kathoden-Stack-Eintritt-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 272, eine Kathodenluftbypass-Durchgangsöffnung 274, eine Abgasausgang-Durchgangsöffnung 276, eine Kathodenlufteingang-Durchgangsöffnung 278, eine Regeltemperatur-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 280, eine erste Sammel-Durchgangsöffnung 282 für einen Flammwächter-Temperaturfühler, für einen Glühstift und für Messdrähte, eine zweite Sammel-Durchgangsöffnung 284 für einen Rezirkulatausgang, für einen Kühllufteingang, für einen Anoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler, für einen Kathoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler und für weitere Messdrähte sowie zwei Stromabnehmer-Durchgangsöffnungen 286.
Wie aus den 5 und 8 zu ersehen ist, kann die zweite Sammel-Durchgangsöffnung 284 in dem vorderen Wärmeisolierungskörper 264 kleiner ausgebildet sein als die hierzu korrespondierende zweite Sammel-Durchgangsöffnung 263 in dem vorderen Schalenelement 232.
Ferner können die beiden Stromabnehmer-Durchgangsöffnungen 286 in dem vorderen Wärmeisolierungskörper 264 gemeinsam einen kleineren Durchgangsquerschnitt aufweisen als die Stromabnehmer-Durchgangsöffnung 248 in dem vorderen Schalenelement 232.
Die im Innenraum des Gehäuses 100 aufzunehmende elektrochemische Vorrichtung 102 kann beispielsweise als eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Reformer ausgebildet sein und, wie beispielsweise in 21 dargestellt, ein oben angeordnetes Brennstoffzellenstack-Modul 288 und eine darunter angeordnete Reformereinheit 290 umfassen.
Das Brennstoffzellenstack-Modul 288 ist in den 18 und 19 einzeln dargestellt und umfasst eine obere Endplatte 292, eine untere Endplatte 294 und eine Mehrzahl zwischen der oberen Endplatte 292 und der unteren Endplatte 294 aufeinander gestapelter Brennstoffzelleneinheiten, welche in 18 lediglich schematisch in Form eines Quaders dargestellt sind.
In dem in den 18 und 19 dargestellten Vormontagezustand ist das Brennstoffzellenstack-Modul 288 mit einer internen Verspannvorrichtung 298 versehen, welche mehrere, beispielsweise vier, außermittig an dem Brennstoffzellenstack-Modul 288 angeordnete interne Federelemente 300 umfasst.
Die internen Federelemente 300 sind symmetrisch zu einer Längsmittelachse 301 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 angeordnet.
Eines dieser internen Federelemente 300 ist in 19 in einem schematischen Längsschnitt längs der Längsrichtung 116 des Gehäuses 100 dargestellt.
Das interne Federelement 300 umfasst eine Druck-Schraubenfeder 302, die sich mit ihrem oberen Ende an einer Unterlegscheibe 303 und mit ihrem unteren Ende an der Oberseite der oberen Endplatte 292 abstützt.
Die Druck-Schraubenfeder 302 umgibt einen koaxial zu derselben angeordneten Gewindebolzen 304, welcher eine Durchtrittsöffnung 305 in der oberen Endplatte 292 durchsetzt, mit seinem unteren Ende in ein Gewindeloch 306 in der unteren Endplatte 294 eingedreht ist und in seinem oberen Endbereich eine Überwurfmutter 308 trägt, welche einen oberen Anschlag für die Unterlegscheibe 303 bildet.
Der maximale Federweg der Druck-Schraubenfeder 302 ist durch ein Federwegbegrenzungselement 310 in Form einer Distanzhülse 312 begrenzt, welche zwischen der Unterlegscheibe 303 einerseits und der Oberseite der oberen Endplatte 292 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 andererseits angeordnet und im Wesentlichen koaxial zu dem Gewindebolzen 304 ausgerichtet ist.
Durch dieses Federwegbegrenzungselement 310 kann die Druck-Schraubenfeder 302 maximal bis auf die Länge des Federwegbegrenzungselements 310, d. h. dessen Erstreckung in der Längsrichtung 116, komprimiert werden, so dass die mit dem internen Federelement 300 erzeugte Vorspannkraft, welche auf die Brennstoffzelleneinheiten 296 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 einwirkt, nicht über die Feder-Rückstellkraft bei der durch das Federwegbegrenzungselement 310 vorgegebenen minimalen Federlänge hinaus erhöht werden kann.
Mittels des Federwegbegrenzungselements 310 kann somit eine wohldefinierte Vorspannkraft eingestellt werden, welche das jeweilige interne Federelement 300 auf das Brennstoffzellenstack-Modul 288 ausüben soll.
Außerdem stabilisiert das Federwegbegrenzungselement 310 die Druck-Schraubenfeder 302 gegen ein seitliches Verschieben und ein Verkanten gegenüber der Längsachse des Gewindebolzens 304.
Wie beispielsweise aus 21 zu ersehen ist, umfasst die elektrochemische Vorrichtung 102 eine Vielzahl von Verbindungsleitungen 314, welche aus dem von der Wärmeisolierung 104 umgebenen Innenraum des Gehäuses 100 durch die Wärmeisolierung 104 hindurch in den Außenraum der Wärmeisolierung 104 hindurchgeführt werden müssen.
Diese Verbindungsleitungen können insbesondere ein oder mehrere der folgenden Verbindungsleitungen umfassen:
Stromabnehmerleitungen 316 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288, eine Anodengaseingangsleitung 318, eine Kathoden-Stack-Eintritt-Temperaturfühler-Leitung 320, eine Kathodenluftbypass-Leitung 322, eine Abgasausgangsleitung 324, eine Kathodenlufteingangsleitung 326, eine Regeltemperatur-Temperaturfühler-Leitung 328, eine Flammwächter-Temperaturfühler-Leitung 330, Messdrähte 332, eine Rezirkulatausgangsleitung 334, eine Kühllufteingangsleitung 336, eine Kathoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler-Leitung 338 und eine Anoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler-Leitung 340.
Die genannten Verbindungsleitungen 314 erstrecken sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 durch die jeweils zugeordneten Durchgangsöffnungen 268 in dem vorderen Wärmeisolierungskörper 264 und durch die jeweils zugeordneten Durchgangsöffnungen 246 in dem vorderen Schalenelement 232 hindurch.
Um einen Wärmeverlust über die Leitungsdurchbrüche in dem vorderen Wärmeisolierungskörper 264 und in dem vorderen Schalenelement 232 zu vermeiden, sind die genannten Verbindungsleitungen mit in 12 dargestellten Wärmeisolierungselementen 342 versehen, durch welche sich im montierten Zustand des Gehäuses 100 jeweils mindestens eine der vorstehend genannten Verbindungsleitungen 314 zumindest abschnittsweise hindurch erstreckt.
Zumindest einige der Wärmeisolierungselemente 342 umfassen eine zumindest abschnittsweise im Wesentlichen hohlzylindrische wärmeisolierende Lage 344, welche jeweils aus mehreren, beispielsweise aus zwei halbrohrförmigen, Schalenelementen 346 zusammengesetzt sind.
Die halbrohrförmigen Schalenelemente 346 können beispielsweise aus einem gepressten und gebundenen Silikatvlies gebildet sein.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die halbrohrförmigen Schalenelemente 346 aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus einem porösen Keramikmaterial, gebildet sind.
Wie aus den 30 bis 32 zu ersehen ist, wird bei der Montage des Gehäuses 100 zunächst ein erstes halbrohrförmiges Schalenelement 346a (siehe 30) und dann ein zweites, das erste halbrohrförmige Schalenelement 346a zu der rohrförmigen wärmeisolierenden Lage 344 ergänzendes zweites halbrohrförmiges Schalenelement 346b über die zu isolierende Verbindungsleitung 314 gelegt (siehe 31). Anschließend werden die halbrohrförmigen Schalenelemente 346a und 346b mit einer über die wärmeisolierende Lage 344 geschobenen Fixierhülse 348 demontierbar gegeneinander und an der zu isolierenden Verbindungsleitung 314 gehalten.
Die Fixierhülse 348 ist vorzugsweise im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet.
Die Fixierhülse 348 kann beispielsweise als ein ringförmig gebogenes Blech oder als ein ausgefrästes Rohr ausgebildet sein.
Zur Material- und Gewichtsersparnis ist die Fixierhülse 348 vorzugsweise mit einer oder mehreren Aussparungen 350 in ihrer Mantelwand 352 versehen.
Die Fixierhülse 348 kann in ihrer Umfangsrichtung ringförmig geschlossen ausgebildet sein.
Alternativ hierzu kann die Fixierhülse 348 mit einem in ihrer Längsrichtung verlaufenden Schlitz versehen sein. In diesem Fall ist die Fixierhülse 348 vorzugsweise aus einem federelastischen Material gebildet und weist eine radial nach innen gerichtete Vorspannung auf, um die Fixierhülse 348 an der wärmeisolierenden Lage 344 zu sichern.
Die Fixierhülse 348 kann eine Verdrehsicherung aufweisen, beispielsweise einen mit der wärmeisolierenden Lage 344 in Eingriff kommenden Vorsprung, um eine Verdrehung der Fixierhülse 348 um deren Längsachse relativ zu der wärmeisolierenden Lage 344 zu verhindern.
An ihrem im montierten Zustand des Gehäuses 100 zur Außenseite des Gehäuses 100 hin weisenden vorderen Ende ist die Fixierhülse 348 mit einem in radialer Richtung nach innen abstehenden Anschlagbund 354 versehen, welcher an einer vorderen Stirnfläche 356 der wärmeisolierenden Lage 344 anliegt und eine Ausdehnung der wärmeisolierenden Lage 344 in Richtung auf die Außenseite des Gehäuses 100 aufgrund einer Wärmedehnung der wärmeisolierenden Lage 344 verhindert.
An einem im montierten Zustand des Gehäuses 100 der Innenseite des Gehäuses 100 zugewandten hinteren Ende der Fixierhülse 348 steht die wärmeisolierende Lage 344 in der Längsrichtung der zu isolierenden Verbindungsleitung 314 über die Fixierhülse 348 über.
Die Fixierhülse 348 stützt sich somit nicht an einem Element der elektrochemischen Vorrichtung 102 ab.
Die Fixierhülse 348 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stahlmaterial, besonders bevorzugt aus einem federelastischen Stahlmaterial, gebildet.
Insbesondere kann als Material für die Fixierhülse 348 der Federstahl mit der Werkstoffnummer 1.4310 verwendet werden.
Nach dem Abziehen der Fixierhülse 348 von der wärmeisolierenden Lage 344 (in axialer Richtung zur Außenseite des Gehäuses 100 hin) können die halbrohrförmigen Schalenelemente 346 wieder von der Verbindungsleitung 314 abgenommen werden.
Grundsätzlich ist es möglich, mittels der Fixierhülse 348 auch mehr als zwei halbrohrförmige Schalenelemente zu einer wärmeisolierende Lage zusammenzufügen.
Um eine radiale Positionstoleranz der Verbindungsleitung 314 zu ermöglichen, treten die Verbindungsleitungen 314 mit den daran angeordneten Wärmeisolierungselementen 342 derart durch den vorderen Wärmeisolierungskörper 264 und das vordere Schalenelement 232 hindurch, dass zwischen den Wärmeisolierungselementen 342 einerseits und den Rändern der Durchgangsöffnungen 268 im vorderen Wärmeisolierungskörper 264 bzw. den Rändern der Durchgangsöffnungen 246 in dem vorderen Schalenelement 232 andererseits jeweils ein Ringspalt 336 (von beispielsweise jeweils ungefähr 4 mm Breite) verbleibt (siehe insbesondere 26).
Zur Abdeckung dieser Ringspalte 358 dienen in 13 einzeln dargestellte Dichtelemente 360, welche von der Außenseite des vorderen Schalenelements 232 her auf das vordere Schalenelement 232 so aufgelegt werden, dass sie diese Ringspalte 358 verschließen (siehe 27).
Die Dichtelemente 360 können beispielsweise als Drahtgestricke, Silikatpresslinge, Silikon-Dichtungen oder PTFE(Polytetrafluorethylen)-Dichtungen ausgebildet sein.
Um die Dichtelemente 360 in ihrer Lage zu fixieren, umfasst das Gehäuse 100 ferner ein in 7 einzeln dargestelltes Abdeckelement 362, welches mit zu den Durchgangsöffnungen 246 in dem vorderen Schalenelement 232 korrespondierenden Durchgangsöffnungen 364 versehen ist.
Das Abdeckelement 362 kann also insbesondere eine oder mehrere der folgenden Durchgangsöffnungen 364 aufweisen:
eine Anodengaseingang-Durchgangsöffnung 366, eine Kathoden-Stack-Eintritt-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 368, eine Kathodenluftbypass-Durchgangsöffnung 370, eine Abgasausgang-Durchgangsöffnung 372, eine Kathodenlufteingang-Durchgangsöffnung 374, eine Regeltemperatur-Temperaturfühler-Durchgangsöffnung 376, eine erste Sammeldurchgangsöffnung 378 für einen Flammwächter-Temperaturfühler, für einen Glühstift und für Messdrähte, eine Rezirkulatausgang-Durchgangsöffnung 380 und eine zweite Sammel-Durchgangsöffnung 382 für einen Kühllufteingang, für einen Kathoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler, für einen Anoden-Stack-Austritt-Temperaturfühler und für weitere Messdrähte des Brennstoffzellenstack-Moduls 288.
Zur Erhöhung der Steifigkeit des Abdeckelements 362 kann dasselbe mit Sicken 384 versehen sein.
Die Sicken 384 sind vorzugsweise ringförmig geschlossen ausgebildet und umschließen somit jeweils einen Abschnitt des Abdeckelements 362.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine äußere Sicke 386 entlang des äußeren Randes des Abdeckelements 362 umläuft, wodurch erreicht wird, dass der von der äußeren Sicke 386 umschlossene Innenbereich 388 des Abdeckelements 362 in der ersten Querrichtung 120 des Gehäuses 100 von einem außerhalb der äußeren Sicke 386 gelegenen Außenbereich 390 des Abdeckelements 362 beabstandet ist.
Mit dem Außenbereich 390 liegt das Abdeckelement 362 an der Außenseite des vorderen Schalenelements 232 an. Mittels Befestigungsmittel-Durchtrittsöffnungen 392 im Außenbereich 390 durchsetzender Befestigungsmittel, insbesondere Schrauben, ist das Abdeckelement 362 lösbar an dem vorderen Schalenelement 232 festlegbar.
Der Abstand zwischen dem Innenbereich 388 und dem Außenbereich 390 des Abdeckelements 362 längs der ersten Querrichtung 120 ermöglicht es somit, die Dichtelemente 360 im Zwischenraum zwischen dem Innenbereich 388 des Abdeckelements 362 einerseits und der Außenseite des vorderen Schalenelements 232 andererseits aufzunehmen.
Das Abdeckelement 362 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stahlmaterial, vorzugsweise aus einem Stahlblech, gebildet.
Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Bauteile wird das Gehäuse 100 mit der darin aufgenommenen elektrochemischen Vorrichtung 102, unter Bezugnahme auf die 20 bis 29, wie folgt montiert:
Der Tragrahmen 114 der externen Trägerstruktur 112 wird aus den Längsträgern 118, den ersten Querträgern 122 und den zweiten Querträgern 124 zusammengesetzt, und das Federaufnahmeelement 130 wird am oberen Ende des Tragrahmens 114 festgelegt. Der hintere Wärmeisolierungskörper 224wird in das hintere Schalenelement 210 eingesetzt, und das hintere Schalenelement 210 wird mittels der gewinkelten Befestigungslaschen 220 an den beiden hinteren Längsträgern 118 des Tragrahmens 114 festgelegt. Das Druckaufnahmeelement 178, welches die mittlere Druckplatte 182, den Druckaufnahmekörper 180 und die untere Druckplatte 184 umfasst, wird in die Aufnahme 230 des hinteren Wärmeisolierungskörpers 224 für das Druckaufnahmeelement 178 eingesetzt.
Damit ist der in 20 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend wird die elektrochemische Vorrichtung 102, welche das Brennstoffzellenstack-Modul 288 und die Reformereinheit 290 umfasst, in die Aufnahme 106 des hinteren Wärmeisolierungskörpers 224 für die elektrochemische Vorrichtung 102 eingeschoben, wobei die Führungsleisten 188 der elektrochemischen Vorrichtung 102 in den Führungsschienen 190 der mittleren Druckplatte 182 des Druckaufnahmeelements 178 geführt sind.
Die Brennstoffzelleneinheiten 296 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 sind in dieser Montagephase noch mittels der internen Verspannvorrichtung 298 gegeneinander verspannt.
Damit ist der in 21 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend wird das Druckverteilungselement 162, welches die obere Druckplatte 166 und den Druckverteilungskörper 164 umfasst, in die Aufnahme 228 des hinteren Wärmeisolierungskörpers 224 für das Druckverteilungselement 162 eingeschoben, so dass der Druckverteilungskörper 164 mit seiner Unterseite an der Oberseite der oberen Endplatte 292 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 anliegt.
Damit ist der in 22 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend wird das externe Federelement 110 der externen Verspannungsvorrichtung 108 von oberhalb des Federaufnahmeelements 130 in das Gewinde-Durchgangsloch 132 des Federaufnahmeelements 130 hineingedreht, bis der Stößel 152 des externen Federelements 110 unter der gewünschten Verspannkraft an der oberen Druckplatte 166 des Druckverteilungselements 162 anliegt. In dieser Höhenposition des externen Federelements 110 relativ zu dem Federaufnahmeelement 130 und relativ zu der externen Trägerstruktur 112 wird das externe Federelement 110 mittels der Überwurfmutter 158 fixiert.
Damit ist der in 23 dargestellte Montagezustand erreicht.
Das externe Federelement 110 greift mittig an dem Druckverteilungselement 162 an, so dass die Verspannkraft über die obere Druckplatte 166 und den Druckverteilungskörper 164 mittig und symmetrisch zur vertikalen Längsmittelachse 301 des Brennstoffzellenstacks in das Brennstoffzellenstack-Modul 288 eingeleitet wird. Hierdurch wird ein Verkanten beim Verspannen des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 mittels der externen Verspannungsvorrichtung 108 vermieden.
Dadurch, dass die Höhenposition des externen Federelements 110 relativ zu der externen Trägerstruktur 112 und damit relativ zu der in der Aufnahme 106 des hinteren Wärmeisolierungskörpers 224 aufgenommenen elektrochemischen Vorrichtung 102 genau so einjustierbar ist, dass die gewünschte Vorspannung von dem externen Federelement 110 auf die elektrochemische Vorrichtung 102 ausgeübt wird, wird der Einfluss von Fertigungstoleranzen der zu verspannenden Baugruppen eliminiert.
Die elektrochemische Vorrichtung 102 und insbesondere das Brennstoffzellenstack-Modul 288 befinden sich somit ab dem Zeitpunkt der korrekten Positionierung des externen Federelements 110 relativ zu der elektrochemischen Vorrichtung 102 unter der gewünschten Vorspannung.
Die interne Verspannvorrichtung 298, welche die internen Federelemente 300 umfasst, kann daher in diesem Montagezustand ausgebaut werden.
Der Konturverlauf des hinteren Schalenelements 210 und des hinteren Wärmeisolierungskörpers 224 ist so gestaltet, dass nach dem Aufbringen der Vorspannung über das externe Federelement 110 die internen Federelemente 300 der internen Verspannvorrichtung 298 für eine Demontage zugänglich sind.
Die Demontage jedes internen Federelements 300 erfolgt durch Herausdrehen der Überwurfmutter 308 aus dem Gewinde des Gewindebolzens 304, anschließendes Abnehmen der Unterlegscheibe 303, der Druck-Schraubenfeder 302 und der Distanzhülse 312 von dem Gewindebolzen 304 und schließlich durch Herausdrehen des Gewindebolzens 304 aus dem Gewindeloch 306 in der unteren Endplatte 294 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 sowie Entnahme des Gewindebolzens 304 durch die zugehörige Durchtrittsöffnung 305 in der oberen Endplatte 292 des Brennstoffzellenstack-Moduls 288.
Nach dem Ausbauen der internen Federelemente 300 der internen Verspannvorrichtung 298 ist der in 24 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend werden die Wärmeisolierungselemente 342 an den Verbindungsleitungen 314 der elektrochemischen Vorrichtung 102 angeordnet.
Dabei werden die wärmeisolierenden Lagen 344, welche aus jeweils zwei halbrohrförmigen Schalenelementen 346a, 346b zusammengesetzt sind, mittels jeweils einer Fixierhülse 348, welche auf die betreffende wärmeisolierende Lage 344 aufgeschoben wird, an der jeweiligen Verbindungsleitung 314 fixiert.
Damit ist der in 25 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend wird das vordere Schalenelement 232 mit dem darin aufgenommenen vorderen Wärmeisolierungskörper 264 in der ersten Querrichtung 120 von vorne in den Tragrahmen 114 des Gehäuses 100 eingeschoben, so dass das vordere Schalenelement 232 mit dem vorderen Wärmeisolierungskörper 264 und das hintere Schalenelement 210 mit dem hinteren Wärmeisolierungskörper 224 gemeinsam eine die elektrochemische Vorrichtung 102 allseits umschließende Wärmeisolierung 104 bilden.
Das vordere Schalenelement 232 wird mittels der gewinkelten Befestigungslaschen 242 an den vorderen Längsträgern 118 des Tragrahmens 114 festgelegt.
Im montierten Zustand des Gehäuses 100 überlappen sich die einander zugewandten Randbereiche des vorderen Schalenelements 232 und des hinteren Schalenelements 210 um beispielsweise 5 mm oder mehr, vorzugsweise um ungefähr 10 mm oder mehr, um eine Relativbewegung zwischen dem vorderen Schalenelement 232 und dem hinteren Schalenelement 210 aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen der externen Trägerstruktur 112 einerseits und der Wärmeisolierung 104 andererseits im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 102 zu ermöglichen, ohne dass eine Lücke in der Wärmeisolierung 104 entsteht.
Solche unterschiedlichen Wärmedehnungen können durch Temperaturgradienten (im Innenraum der Wärmeisolierung 104 liegt die Temperatur im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 102 deutlich höher als im Außenraum der Wärmeisolierung 104) und/oder durch unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten der Materialien der Wärmeisolierung 104 einerseits und der externen Trägerstruktur andererseits verursacht sein.
Wie am besten aus den 3 und 4 zu ersehen ist, kann insbesondere vorgesehen sein, dass das vordere Schalenelement 232 mit seinen dem hinteren Schalenelement 210 zugewandten Randbereichen in das hintere Schalenelement 210 eingreift.
Mit der Montage des vorderen Schalenelements 232 an dem Tragrahmen 114 ist der in 26 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend werden die Dichtelemente 360 im Bereich der Durchgangsöffnungen 246 in der Vorderwand 234 des vorderen Schalenelements 232 angeordnet, um die Ringspalte 358 zwischen den Wärmeisolierungselementen 342 und den Rändern der Durchgangsöffnungen 246 zu verschließen.
Damit ist der in 27 dargestellte Montagezustand erreicht.
Anschließend wird das Abdeckelement 362 an der Außenseite der Vorderwand 234 des vorderen Schalenelements 232 angeordnet, so dass das Abdeckelement 362 die Dichtelemente 360 überdeckt, und in dieser Position an dem vorderen Schalenelement 232 lösbar festgelegt.
Damit ist der in 28 dargestellte Montagezustand erreicht.
Schließlich wird das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 oberhalb des vorderen Schalenelements 232 und des hinteren Schalenelements 210 in den Tragrahmen 114 eingeschoben und an den Längsträgern 118 festgelegt.
Das Wärmedehnungsbegrenzungselement 134 begrenzt im Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 102 eine mögliche Relativbewegung zwischen dem vorderen Schalenelement 232 und dem hinteren Schalenelement 210 einerseits und dem Tragrahmen 114 der externen Trägerstruktur 112 andererseits, welche durch unterschiedliche Wärmedehnungen dieser Elemente verursacht sein kann.
Mit der Montage des Wärmedehnungsbegrenzungselements 134 ist die Montage des Gehäuses 100 mit der darin angeordneten elektrochemischen Vorrichtung 102 abgeschlossen und der in 29 dargestellte Montage-Endzustand erreicht.
Dieser Montage-Endzustand des Gehäuses 100 ist auch in den 1 bis 4 dargestellt, welche das fertig montierte Gehäuse 100 von vorne (1), von hinten (2), von oben (3) bzw. von unten (4) zeigen.
Die externe Verspannungsvorrichtung 108 des Gehäuses 100 ist im Hinblick auf eine Leistungssteigerung der elektrochemischen Vorrichtung 102 durch Verwendung zusätzlicher Brennstoffzelleneinheiten 296 und eine dadurch bedingte größere Bauhöhe des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 leicht anpassbar, da im Falle einer veränderten Bauhöhe des Brennstoffzellenstack-Moduls 288 lediglich ein niedrigeres Druckverteilungselement 162 verwendet werden muss und die Position des externen Federelements 110 zur Erzeugung derselben gewünschten Vorspannung durch entsprechendes Eindrehen bzw. Ausdrehen des Federelements 110 in das bzw. aus dem Gewinde-Durchgangsloch 132 des Federaufnahmeelements 130 der neuen Gesamthöhe von Druckverteilungselement 162 und Brennstoffzellenstack-Modul 288 angepasst werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Norm DIN EN 10143 [0148]
- Norm DIN EN 10327 [0148]

Claims

Gehäuse für eine elektrochemische Vorrichtung (102), umfassend mindestens eine Wärmeisolierung (104), innerhalb welcher eine Aufnahme (106) für die elektrochemische Vorrichtung (102) ausgebildet ist, und mindestens eine Verspannungsvorrichtung (108) zum Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung (102) gegen das Gehäuse (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannungsvorrichtung (108) eine außerhalb der Wärmeisolierung (104) angeordnete externe Trägerstruktur (112) und mindestens ein Federelement (110), mittels welchem die elektrochemische Vorrichtung (102) gegen die externe Trägerstruktur (112) verspannbar ist, umfasst.
Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannungsvorrichtung (108) mindestens ein Druckverteilungselement (162) umfasst, mittels welchem eine von dem mindestens einen Federelement (110) auf das Druckverteilungselement (162) ausgeübte Verspannkraft flächig auf die elektrochemische Vorrichtung (102) übertragbar ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannungsvorrichtung (108) mindestens ein Druckaufnahmeelement (178) umfasst, mittels welchem eine von dem mindestens einen Federelement (110) auf die elektrochemische Vorrichtung (102) ausgeübte Verspannkraft flächig von der elektrochemischen Vorrichtung (102) aufnehmbar und auf die externe Trägerstruktur (112) übertragbar ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (110) relativ zu der externen Trägerstruktur (112) so angeordnet und ausgerichtet ist, dass es im verspannten Zustand an einem zentralen Bereich der elektrochemischen Vorrichtung (102) oder eines Druckverteilungselements (162) angreift.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des mindestens einen Federelements (110) relativ zu der externen Trägerstruktur (112) längs der Verspannrichtung (116) einstellbar ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) eine Durchtrittsöffnung (223) für den Durchtritt des mindestens einen Federelements (110) durch die Wärmeisolierung (104) aufweist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (110) eine Schraubenfeder (302), eine Gasdruckfeder und/oder eine hydraulische Feder umfasst.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) mindestens ein Schalenelement (210, 232) umfasst, welches mindestens eine metallische Lage und mindestens eine wärmeisolierende Lage aufweist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) mindestens ein Schalenelement (210, 232) umfasst, welches an der externen Trägerstruktur (112) festgelegt ist.
Gehäuse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) mindestens zwei Schalenelements (210, 232) umfasst, die beide an der externen Trägerstruktur (112) festgelegt sind und einander an ihren Randbereichen zumindest abschnittsweise überlappen, so dass eine Relativbewegung der Schalenelemente (210, 232) aufgrund einer Wärmedehnung ermöglicht ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) mindestens ein Schalenelement (232) umfasst, das nach dem Verspannen der elektrochemischen Vorrichtung (102) gegen die externe Trägerstruktur (112) an der externen Trägerstruktur (112) und/oder an einem anderen Schalenelement (210) der Wärmeisolierung (104) anordenbar ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (100) ein Wärmedehnungsbegrenzungselement (134) aufweist, welches eine Relativbewegung zwischen der Wärmeisolierung (104) und der externen Trägerstruktur (112) aufgrund einer Wärmedehnung begrenzt.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (104) mindestens eine Durchgangsöffnung (246, 268) aufweist, durch welche eine Verbindungsleitung (314) der elektrochemischen Vorrichtung (102) hindurchgeführt ist.
Gehäuse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindungsleitung (312) mit einer wärmeisolierenden Lage (344) versehen ist und die wärmeisolierende Lage (344) durch eine Fixierhülse (348) an der Verbindungsleitung (314) gesichert ist.
Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Aufnahme (106) der Wärmeisolierung (104) einzubringende elektrochemische Vorrichtung (102) eine interne Verspannvorrichtung (298) umfasst, wobei die interne Verspannvorrichtung (298) mindestens ein Federelement (300) umfasst, dessen maximaler Federweg durch ein Federwegbegrenzungselement (310) begrenzt ist.