DE10135025B4

DE10135025B4 - Brennstoffzellengerät

Info

Publication number: DE10135025B4
Application number: DE10135025A
Authority: DE
Inventors: Toru Toyota Bisaka; Hiroaki Toyota Nishiumi; Hideyuki Toyota Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: CA2353210C; US6645659B2; US20020034673A1; DE10135025A1; CA2353210A1

Abstract

Brennstoffzellengerät (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (23), der eine Anzahl übereinander gestapelter Brennstoffzellenmodule (19) umfasst, die zwischen Endplatten (22) eingespannt sind, welche an ein Befestigungselement (24) gekoppelt sind und welche Einspannkräfte über eine an einem Stapelende der Brennstoffzellenmodule (19) angeordnete Druckplatte (26) auf diese aufbringen, die an einer der zugehörigen Endplatte (22) zuweisenden Seite einen konvexen Kupplungsabschnitt (28) aufweist, welcher mit einem konkaven Kupplungsabschnitt (27) der Endplatte (22) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Kupplungsabschnitt (28) und/oder der konkave Kupplungsabschnitt (27) als ein von der Endplatte (22) oder der Druckplatte (26) separates Kupplungselement ausgebildet ist, das über eine Druckfedereinrichtung (32) mit der Endplatte (22) und/oder der Druckplatte (26) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellengerät oder einen Brennstoffzellenstapel bzw. ein Brennstoffzellenstack.
Ein PEFC-Gerät (Polymerelektrolytbrennstoffzellengerät) weist einen Stapel bzw. ein Stack von Brennstoffzellen auf. Jede Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und eine Trenneinrichtung auf. Die MEA weist eine Elektrolytmembran und ein Paar Elektroden auf, die an entgegengesetzten Seiten der Elektrolytmembran angeordnet sind. Das Paar Elektroden weist eine Brennstoffelektrode (Anode), die aus einer ersten Katalysatorschicht mit einer ersten Diffusionsschicht aufgebaut ist, und eine Oxidationsmittelelektrode (Kathode) auf, die aus einer zweiten Katalysatorschicht mit einer zweiten Diffusionsschicht aufgebaut ist. Die Trenneinrichtung hat einen darin ausgebildeten Durchgang zum Zuführen von Brennstoffgas (Wasserstoff) zu der Anode und zum Zuführen von Oxidationsmittelgas (Sauerstoff, üblicherweise Luft) zu der Kathode. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen ist ausgebildet, um ein Stapelmodul aufzubauen. Elektrische Anschlüsse, elektrische Isolatoren und Endplatten sind an entgegengesetzten Enden der Batterie der Module angeordnet, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Nach dem Festziehen des Brennstoffzellenstapels zwischen den entgegengesetzten Endplatten in eine Brennstoffzellenstapelrichtung werden die Endplatten mit dem Befestigenselement (oder einer Spannplatte) gekoppelt, die sich in eine Brennstoffzellenstapelrichtung außerhalb der Batterie der Brennstoffzellen erstreckt, durch Schrauben, die sich senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung erstrecken.
Bei der PEFC wird an der Anode Wasserstoff in positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen umgewandelt. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch den Elektrolyt zu der Kathode, wo die Wasserstoffionen mit zugeführtem Sauerstoff und Elektronen reagieren (die an der Anode der angrenzenden MEA erzeugt werden und sich durch die Kathode der bereiten MEA durch eine Trenneinrichtung bewegen), um Wasser wie folgt auszubilden:
An der Anode: H₂ → 2H⁺ + 2e
An der Kathode : 2H⁺ + 2e^- + (1/2) O₂ → H₂O
Ein Kühldurchgang ist an allen Modulen ausgebildet, sodass das Brennstoffzellengerät durch ein Kühlmittel (gewöhnlich Wasser) gekühlt wird, das durch den Kühldurchgang strömt. Als Ergebnis wird die Temperatur der Brennstoffzellen zwischen der Temperatur der Umgebung (ungefähr 20°C) und der Betriebstemperatur (ungefähr 80°C) geregelt.
Damit die vorstehend genannte elektrochemische Reaktion normal abläuft, ist es erforderlich, dass ein Druck, der an dem Brennstoffzellenstapel wirkt, gleichmäßig verteilt und konstant über eine Brennstoffzellengesamtfläche trotz der vorstehend genannten Temperaturänderung gehalten wird.

Die JP 9259916 A offenbart einen Aufbau zum Festziehen des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von vier Stäben, die sich aus dem Brennstoffzellenstapel nach außen erstrecken. Muttern werden dann an die Enden der Stäbe geschraubt, um den Brennstoffzellenstapel festzuziehen, um einen gleichmäßig verteilten Druck zu schaffen. Eine Schraubenfeder ist zwischen den Muttern und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, wodurch eine Abweichung der Last verringert wird.

Jedoch gibt es mit dem herkömmlichen Befestigungsaufbau ein Problem dahingehend, das es schwierig ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem gleichmäßig verteilten Druck festzuziehen, wenn die Brennstoffzellen nicht parallel zueinander sind, woraus folgt, dass die Leistungscharakteristik der Brennstoffzelle sich verringert und im schlimmsten Fall ein Auslaufen des Reaktionsgases (Wasserstoff, Luft) auftritt. Mit dem Befestigungsaufbau unter Verwendung der vier Stäbe erstreckt sich der Stab des Weiteren weiter von der Endplatte nach außen und das Brennstoffzellengerät ist zu lang, so dass die Montage des Brennstoffzellengeräts an einem Fahrzeug nicht einfach ist.

Aus der DE 690 15 802 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Schichten aus Einheitszellen einer Brennstoffzelle zwischen einer Endplatte und einem Befestigungselement angeordnet sind und zwischen diesen gleichmäßig aneinander gepresst werden. Das Befestigungselement besteht aus einer Druckplatte von pyramidaler Form mit einem sphärischen Fortsatz, die auf den gestapelten Schichten von Einheitszellen aufliegt, und einer viereckigen Platte, die in ihrer Mitte und der Stapelseite zugewandt eine Höhlung aufweist und auf dem sphärischen Fortsatz aufliegt. Ungleichmäßig einwirkende Kräfte werden auf den sphärischen Fortsatz der fokussiert und von dort gleichmäßig auf die ganze obere Fläche der Einheitszellen verteilt. Bolzen und Muttern verbinden End- und obere Befestigungsplatte sowie den Stapel der Einheitszellen zu einer Einheit.

Die WO 99/27602 offenbart einen Kompressionsaufbau für einen Brennstoffzellenstapel mit internem, als Bestandteil des Brennstoffzellenstapels integriertem Kompressionsmechanismus, der auf den Brennstoffzellenaufbauten angeordnet ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellengerät zu schaffen, das einen Brennstoffzellenstapel in eine Brennstoffzellenstapelrichtung mit einem gleichmäßig verteilten Druck festziehen kann.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellengerät zu schaffen, das verbesserte Eigenschaften zum Anbringen an ein Fahrzeug aufweist.

Die vorliegende Aufgabe wird mit dem Brennstoffzellengerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Die Druckplatte kann in zwei Elemente in die Brennstoffzellenstapelrichtung geteilt sein, und zumindest ein Abschnitt des Lastabweichungsverringerungsmechanismus (Federeinrichtung) kann zwischen den zwei Elementen der Druckplatte angeordnet sein.

Die Druckplatte kann in zwei Elemente einschließlich eines nach außen gerichteten Elements und eines nach innen gerichteten Elements in die Brennstoffzellenstapelrichtung geteilt sein. Das nach außen gerichtete Element hat den konvexen Abschnitt, der daran ausgebildet ist, und einen daran vorgesehenen Lastsensor.

Mit dem vorstehend genannten Brennstoffzellengerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da die Endplatte und die Druckplatte zueinander an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts und des konkaven Abschnitts gepresst werden, auch wenn die Brennstoffzellen nicht parallel zueinander sind, die Endplatte an einem Punkt der Druckplatte an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts und des konkaven Abschnitts pressen, so dass die Druckplatte den Brennstoffzellenstapel bei einem gleichmäßig verteilten Druck über die gesamte Querschnittsfläche des Brennstoffzellenstapels pressen kann. Da des Weiteren der konvexe Abschnitt an der Druckplatte ausgebildet ist, kann die Parallelabweichung zwischen den Brennstoffzellen durch eine Rotation oder ein Kippen der Druckplatte an der Mitte der Krümmung der gekrümmten Fläche des konvexen Abschnitts aufgenommen werden, ohne dass das eine Verschiebung der Brennstoffzellen in eine Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung mit sich bringt. Da des Weiteren der konkave Abschnitt an der Endplatte ausgebildet ist, verschieben der konvexe Abschnitt und der konkave Abschnitt sich nicht relativ zueinander in die quer gerichtete Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung, und die Kupplung ist stabil.

Des Weiteren ist es für einen Fall, dass das Stapelanbringelement aus einem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels selbst aufgebaut ist, nicht notwendig, ein zusätzliches Anbringelement vorzusehen, das ausschließlich zum Anbringen des Brennstoffzellenstapels an dem Fahrzeug verwendet wird, so dass das Anbringen des Brennstoffzellenstapels an das Fahrzeug durch eine geringe Anzahl von Anbringelementen möglich wird.

Die vorstehende Aufgabe, andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser erkennbar.
1 ist eine Vorderansicht eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem ersten Beispiel.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel.
3 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel für einen Fall, bei dem die Brennstoffzellen abgewinkelt sind.
4 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel, das eine Rotationsmitte einer Druckplatte darstellt.
5 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem Vergleichsbeispiel zu dem ersten Beispiel, das eine Rotationsmitte einer Druckplatte darstellt.
6 ist eine Vorderansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel für einen Fall, bei dem der konkave Abschnitt aus einer konkaven nicht kugelförmigen Fläche aufgebaut ist.
7 ist eine Seitenansicht, die teilweise als Querschnitt dargestellt ist, des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel für einen Fall, bei dem entgegengesetzte Endplatten an ein Befestigungselement über eine Verzahnung und eine Schraube gekoppelt sind.
8 ist eine Vorderansicht einer Spannplatte (Einzelbauart) des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel.
9 ist eine Vorderansicht einer Spannplatte (mehrfache Bauart) des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Beispiel.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines Einstellabschnitts der Brennstoffzelle gemäß dem ersten Beispiel.
11 ist eine Vorderansicht, die teilweise als Querschnitt dargestellt ist, eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Umgebung eines Lastabweichungsverringerungsmechanismus (Federmechanismus) darstellt.
12 ist eine Vorderansicht, die teilweise als Querschnitt dargestellt ist, eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Anordnungsreihenfolge von Konusscheibenfedern und eines Berührungsabschnitts zu dem von 11 umgekehrt ist.
13 ist eine Vorderansicht des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für einen Fall, bei dem ein Einschnitt an einem elektrischen Isolator ausgebildet ist.
14 ist eine Vorderansicht, die teilweise als Querschnitt dargestellt ist, eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Umgebung eines elektrischen Isolators darstellt.
15 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Druckplatte und den elektrischen Isolator des Brennstoffzellengeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
16 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
17 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, bei dem keine Befestigungslast daran wirkt.
18 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, bei dem die Abschrägungswinkel der Konusscheibenfedern umgekehrt werden, wenn die Befestigungslast daran wirkt.
19 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts einschließlich einer Spannplatte gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, bei dem die Abschrägungswinkel der Konusscheibenfedern umgekehrt werden, wenn die Befestigungslast daran wirkt.
20 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brennstoffzellengeräts gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die einen äußeren Abschnitt einer Druckplatte und die Umgebung davon darstellt.
21 ist eine Grafik, die eine Last gegen eine Verformung eines Lastabweichungsverringerungsmechanismus (Konusscheibenfeder) des Brennstoffzellengeräts gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
22 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
23 ist eine umgekehrte Querschnittsansicht des Brennstoffzellengeräts an einer Linie A-A von 22.
24 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Sicht in eine Richtung senkrecht zu einer Brennstoffzellenstapelrichtung, und
25 ist eine Querschnittsansicht eines Brennstoffzellengeräts gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Sicht in eine Brennstoffzellenstapelrichtung.
Die 11–15 stellen ein Brennstoffzellengerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; 16 stellt ein Brennstoffzellengerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; die 17–21 stellen ein Brennstoffzellengerät gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; die 22 und 23 stellen ein Brennstoffzellengerät gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; 24 stellt ein Brennstoffzellengerät gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; und 25 stellt ein Brennstoffzellengerät gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
Abschnitte, die gemeinsam oder einander ähnlich über die gesamten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind, sind mit gleichen Bezugszeichen über die gesamten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
Zuerst werden Abschnitte, die gemeinsam oder ähnlich zueinander über alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind, unter Bezugnahme auf die 1–15 erklärt.
Ein Brennstoffzellengerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Polymerelektrolytbrennstoffzellengerät (im Folgenden PEFC genannt), das zum Beispiel an ein Fahrzeug montiert wird. Jedoch kann das PEFC-Gerät für etwas anderes als ein Fahrzeug verwendet werden.
Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, weist das PEFC-Gerät (Polymerelektrolytbrennstoffzellengerät) 10 zumindest einen Stapel 23 einzelner Brennstoffzellen auf. Jede Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und eine Trenneinrichtung 18 auf. Die MEA weist eine Elektrolytmembran 11 und ein Paar Elektroden auf, die an entgegengesetzten Seiten der Membran 11 angeordnet sind. Das Paar Elektroden weist eine Anode 14, die an einer Seite der Membran 11 vorgesehen ist und aus einer ersten Katalysatorschicht 12 und einer ersten Diffusionsschicht 13 aufgebaut ist, und eine Kathode 17 auf, die an der anderen Seite der Membran 11 vorgesehen ist und aus einer zweiten Katalysatorschicht 15 und einer zweiten Diffusionsschicht 16 aufgebaut ist. Die Trenneinrichtung 18 hat einen Durchgang, der darin zum Zuführen von Gas (Wasserstoff) zu der Anode 14 und von Oxidationsmittelgas (Sauerstoff, üblicherweise Luft) zu der Kathode 17 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen (zum Beispiel zwei Brennstoffzellen) sind gestapelt, um ein Modul 19 zu bilden. Eine Anzahl von Modulen werden gestapelt und elektrische Anschlüsse 20, elektrische Isolatoren 21 und Endplatten 22 sind an entgegengesetzten Seiten des Stapels der Module angeordnet, um einen Brennstoffzellenstapel 23 auszubilden. Nach einem Festziehen des Brennstoffzellenstapels 23 zwischen den entgegengesetzten Endplatten 22 in eine Brennstoffzellenstapelrichtung werden die entgegengesetzten Endplatten 22 mit dem Befestigungselement 24 (zum Beispiel eine Spannplatte) gekoppelt, die sich in eine Brennstoffzellenstapelrichtung nach außen von der Modulbatterie erstreckt, durch Schrauben 25, die sich senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung erstrecken. Das Befestigungselement 24 bildet einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 23. Die Spannplatte kann durch einen Durchgangsschraube und eine Mutter ersetzt werden.
Wie in den 1–6 dargestellt ist, ist eine Druckplatte 26 nach innen gerichtet von einer ersten Endplatte 22A angeordnet, die an einem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels 23 in eine Brennstoffzellenstapelrichtung angeordnet ist. Eine Druckplatte ist nach innen gerichtet von einer zweiten Endplatte 22B, die an einem zweiten entgegengesetzten Ende des Brennstoffzellenstapels 23 angeordnet ist, nicht vorgesehen.
Ein konkaver Abschnitt 27 ist an der ersten Endplatte 22A an einer nach innen weisenden Fläche der ersten Endplatte 22A ausgebildet, die zu der Druckplatte 26 weist. Für den Fall, dass die erste Endplatte 22A in einen Endplattenhauptabschnitt 22a und einen Einstellabschnitt 22b geteilt ist, ist der konkave Abschnitt 27 sowohl an dem Endplattenhauptabschnitt 22a als auch an dem Einstellabschnitt 22b ausgebildet. Ein konvexer Abschnitt 28, der eine gekrümmte Fläche hat, ist an der Druckplatte 26 an einer nach außen weisenden Fläche von der Druckplatte 26 ausgebildet. Für den Fall, dass die Druckplatte 26 in zwei Elemente geteilt ist, insbesondere in ein nach innen weisendes Element 26a und ein nach außen weisendes Element 26b in eine Brennstoffzellenstapelrichtung, ist der konvexe Abschnitt 28 in allen beiden Elementen ausgebildet. Die gekrümmte Fläche des konvexen Abschnitts 28 ist eine Kugelfläche bzw. eine sphärische Fläche oder eine zylindrische Fläche. Der konvexe Abschnitt 28 wird an den konkaven Abschnitt 27 gepresst. In diesem Zustand sind die Endplatten 22 des Brennstoffzellenstapels mit der Spannplatte 24 gekoppelt, die sich in die Brennstoffzellenstapelrichtung von der Brennstoffzellenbatterie nach außen erstreckt. Ein Spalt existiert zwischen der nach innen weisenden Fläche ausgenommen des konkaven Abschnitts 27 der Endplatte 22A und an der nach außen weisenden Fläche ausgenommen des konvexen Abschnitts 28 der Druckplatte 26, sodass die Druckplatte 26 relativ zu der Endplatte 22 innerhalb von Winkeln kippen kann, bei denen die Druckplatte 26 beginnt, die Endplatte 22A zu berühren, wie in 3 dargestellt ist. Damit die Druckplatte 26 sanft relativ zu der Endplatte 22A kippen kann, ist eine Fläche des konvexen Abschnitts 28 und der konkave Abschnitt 27 mit Fett beschichtet.
Die Fläche des konkaven Abschnitts 27 kann aus einer konkaven sphärischen Fläche bzw. kugelförmigen Fläche oder einer konkaven nicht sphärischen Fläche aufgebaut sein, zum Beispiel eine konkave Konusfläche, wie in 6 dargestellt ist. Für den Fall einer konkaven Konusfläche kann der konkave Abschnitt 27 ebenso das Fett aufnehmen.
Wie in 4 dargestellt ist, ist eine Mitte einer Krümmung der kugelförmigen oder zylindrischen Fläche des konvexen Abschnitts 28 an der nach innen weisenden Fläche der Druckplatte 26 oder der Umgebung davon gelegen.
Da die Endplatte 22 und die Druckplatte 26 aneinander an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 und des konkaven Abschnitts 27 berühren, neigt sich die Druckplatte 26, auch wenn sich die Brennstoffzelle neigt, gemäß der Neigung der Brennstoffzellen und kann die Brennstoffzellen an ihrer gesamten quer gerichteten Fläche gleichmäßig pressen.
Da des Weiteren der konvexe Abschnitt 28 an der Druckplattenseite vorgesehen ist, kann die Neigung der Brennstoffzellen, auch wenn sich die Brennstoffzellen neigen, durch eine Rotation des konvexen Abschnitts 28 aufgenommen werden, ohne dass das eine Verschiebung der Brennstoffzellen in die Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung mit sich bringt. Wenn der konvexe Abschnitt an der Endplattenseite vorgesehen wäre, würde die Mitte der Krümmung der kugelförmigen Fläche des konvexen Abschnitts nahe der nach außen weisenden Fläche der Endplatte liegen, so dass, wenn die Druckplatte sich an der Mitte der Krümmung des konvexen Abschnitts dreht, die Druckplatte eine seitliche Verschiebung um einen Betrag verursachen wird, der dem Produkt des Rotationswinkels und des Abstands zwischen der Druckplatte und der Mitte der Krümmung des konvexen Abschnitts gleich ist. Dagegen verursacht bei der vorliegenden Erfindung, bei der der konvexe Abschnitt 28 an der Druckplattenseite vorgesehen ist, die Brennstoffzellen keine seitliche Verschiebung, wenn die Druckplatte 26 sich an der Mitte der Krümmung des konvexen Abschnitts 28 dreht.
Des Weiteren versetzen sich der konvexe Abschnitt 28 und der konkave Abschnitt 27 aufgrund des Berührungsaufbaus des konvexen Abschnitts 28 und des konkaven Abschnitts 27 nicht zueinander in die senkrechte Richtung der Brennstoffzellenstapelrichtung. Als Ergebnis wird eine stabile Befestigung erhalten.
Wie in den 7–10 dargestellt ist, ist jede der ersten und zweiten Endplatten 22A und 22B mit dem Befestigungselement gekoppelt, insbesondere der Spannplatte 24 durch eine Verzahnung 29 und einen Bolzen bzw. einer Schraube (die eine Schraube aufweist) 25. Die Schraube 25 erstreckt sich in die Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung. Zähne der Verzahnung 29 sind an der Endplatte 22 und der Spannplatte 24 an den Berührungsflächen davon ausgebildet. Die Zähne der Verzahnung 29 erstrecken sich in die Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung. Die Zähne der Verzahnung 29 können einen dreieckigen Querschnitt oder einen rechteckigen Querschnitt haben. Der Querschnitt der Zähne kann jede andere Gestalt haben. Aufgrund des Zahnkupplungsaufbaus verursachen die Endplatte 22 und die Spannplatte 24 kein Rutschen relativ zueinander in die Brennstoffzellenstapelrichtung.
Die Spannplatte 24 kann als jeweils eine an jeder Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sein, wie in 8 gezeigt ist. Eine Vielzahl von Spannplatten 24 kann an jeder Seite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sein, wie in 9 dargestellt ist.
Für den Fall, dass der Kupplungsaufbau zwischen der Endplatte 22 und der Spannplatte 24 aus der Verzahnung 29 und der Schraube 25 aufgebaut ist, ist eine Positionseinstellung eines Betrages, der kleiner als eine Teilung der Zähne der Verzahnung ist, unmöglich. Als Ergebnis ist eine Lasteinstellung begrenzt. Um jeden Betrag der Positionseinstellung und der Lasteinstellung zu ermöglichen, weist die erste Endplatte 22A, die rechteckig ist, an dem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels einen Endplattenhauptabschnitt 22a und einen Einstellabschnitt 22b auf, der von dem Endplattenhauptabschnitt 22a getrennt ist und hinsichtlich der Position relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a in die Brennstoffzellenstapelrichtung einstellbar ist. Der konkave Abschnitt 27 ist an dem Einstellabschnitt 22b ausgebildet.
Der Einstellabschnitt 22b kann aus einem einzelnen Element aufgebaut sein, wie in 7 dargestellt ist, oder kann aus zwei Elementen aufgebaut sein, wie in 17 dargestellt ist. Für den Fall des Einstellabschnitts 22b von 7 hat der Einstellabschnitt 22b ein Außengewinde 30 und ist mit einem Durchdringungsloch mit einem Innengewinde, das an einem Mittenabschnitt des Endplattenhauptabschnitts 22a ausgebildet ist, verschraubt. Für den Fall des Einstellabschnitts 22b von 17 weist der Einstellabschnitt 22b zwei Elemente auf: einen Innengewindeabschnitt 22b-1 und einen Außengewindeabschnitt 22b-2, die miteinander an dem Gewinde 30 verschraubt sind. Der konkave Abschnitt 27 ist an dem Außengewindeabschnitt 22b-2 ausgebildet.
Eine Vertiefung mit einem polygonalen (zum Beispiel hexagonalen) Querschnitt zum Aufnehmen eines Schlüssels bzw. Drehers für eine Rotation darin ist an einem nach außen gerichteten Abschnitt des Einstellabschnitts 22b ausgebildet (für den Fall des aus zwei Elementen bestehenden Einstellabschnitts, dem Außengewindeabschnitt 22b-2 des Einstellabschnitts 22b). Durch Drehen des Einstellabschnitts an einer Rotationsachse davon wird der Einstellabschnitt 22b (für den Fall des Einstellabschnitts mit zwei Elementen, der Außengewindeabschnitt 22b-2 des Einstellabschnitts 22b) an einer Position relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a in der Brennstoffzellenstapelrichtung eingestellt.
Mit einer Wirkung des Kupplungsaufbaus durch die Verzahnung und die Schraube würde, wenn die Verzahnung nicht vorgesehen wäre, eine Schraube mit einem großen Durchmesser notwendig sein, um eine große Reibungskraft an der Berührungsfläche zwischen der Endplatte und der Spannplatte zu verursachen sowie das Auftreten jeglichen Durchrutschens zwischen der Endplatte und der Spannplatte zu verhindern. Da für den Fall der Verzahnungskupplung dagegen die Kupplungskraft zwischen der Endplatte 22 und der Spannplatte 24 verringert werden kann, wird der notwendige Durchmesser der Schraube 25 gering, sodass ein Durchmesser des Gewindelochs, das in der Endplatte 22 ausgebildet ist, klein wird. Als Folge kann die Dicke der Endplatte 22 gering sein und eine Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels kann verringert werden. Aufgrund der Verzahnungskupplung können die erste Endplatte 22A und die zweite entgegengesetzte Endplatte 22B parallel zueinander sein.
Da des Weiteren der Einstellabschnitt 22b oder der Außengewindeabschnitt 22b-1 durch Einsetzen eines Drehers in die polygonale Vertiefung 31 und durch Drehen des Drehers gedreht wird, steht der Einstellabschnitt 22b oder der Außengewindeabschnitt 22b-1 nicht nach außen von der nach außen weisenden Fläche der Endplatte vor, so dass es nicht notwendig ist, dass die Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels 23 in die Brennstoffzellenstapelrichtung verlängert wird. Als Folge ist die Montage des Brennstoffzellengeräts an einem Fahrzeug einfach.
Wie in den 11 und 12 dargestellt ist, ist ein Lastabweichungsverringerungsmechanismus (Federmechansimus) 32 an zumindest einer Position an der ersten Endplatte 22A, an der Druckplatte 26 und zwischen der Druckplatte 26 und der ersten Endplatte 22A angeordnet und in Reihe mit einem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 in einer Verbindungskraftübertragungsrichtung bzw. einer Festziehkraftübertragungsrichtung. Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 ist aus einer Konusscheibenfeder oder einem Satz von Konusscheibenfedern mit kreisförmigen inneren und äußeren Abschnitten aufgebaut. Aufgrund des Konusscheibenfederaufbaus kann der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 eine große Kraft verursachen, die mit einer geringen axialen Verformung einhergeht, so dass ein Anstieg der Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels 23 unterdrückt wird.
Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 und der Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 kann angeordnet sein, wie in 11 oder in 12 dargestellt ist. Für den Fall von 11 können sie in der Reihenfolge des Berührungsabschnitts und des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 von der Endplatte 22 in Richtung der Druckplatte 26 angeordnet sein. Für den Fall von 12 können sie in der Reihenfolge des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 und des Berührungsabschnitts von der Endplatte 22 in Richtung der Druckplatte 26 angeordnet sein. Des Weiteren kann, wie in 17 dargestellt ist, der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 aus zwei Sätzen von Konusscheibenfedern aufgebaut sein, und ein Satz kann an der Endplatte 22 angeordnet sein und der andere Satz kann an der Druckplatte 26 angeordnet sein.
Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 ist in Reihe mit dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 angeordnet. Wenn sich die Umgebungstemperatur der Brennstoffzelle aufgrund des Kühl- und Heizkreislaufs des Brennstoffzellengeräts ändert, und wenn eine Dicke der Elektrolytmembran und der Anode und der Kathode sich aufgrund von Kriechen oder Quellen davon ändert, kann der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 diese Änderungen hinsichtlich der Länge des Brennstoffzellenstapels aufnehmen, so dass eine Abweichung der an dem Brennstoffzellenstapel anliegenden Last unterdrückt werden kann.
Des Weiteren wird aufgrund des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 der gleichmäßig verteilte Druck an den Brennstoffzellen aufgrund des Kippmechanismus durch den Berührungsaufbau des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt gut über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellengeräts erhalten.
Wie in den 13-15 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellengerät des Weiteren einen elektrischen Isolator 21 auf, der von der Druckplatte 26 nach innen weisend angeordnet ist. Der elektrische Isolator 21 hat eine nach außen weisende Fläche (Druckseitenfläche) und einen Einschnitt 33, der an dem elektrischen Isolator 21 an der nach außen weisenden Fläche des elektrischen Isolators 21 ausgebildet ist. Die Druckplatte 26 ist an dem Einschnitt 33 des elektrischen Isolators 21 angeordnet.
Aufgrund dieses Einschnitts 33 ist ein Abstand B zwischen der nach außen weisenden Fläche der Druckplatte 26 und der nach innen weisenden Fläche des elektrischen Isolators 21 kleiner als eine Summe einer Dicke der Druckplatte 26 und einer Dicke des elektrischen Isolators 21. Als Folge wird die Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels 23 verkürzt.
Des Weiteren ist der elektrische Isolator 21 zwischen der Druckplatte 26 und dem elektrischen Anschluss 20 gelegen. Da die Druckplatte 26 an dem Einschnitt 33 angeordnet ist und es einen Zwischenraum zwischen einer nach außen weisenden Fläche der Druckplatte 26 und einer nach innen weisenden Fläche einer Wand des elektrischen Isolators gibt, der den Einschnitt darin definiert, wird ein elektrischer Isolationsabstand C entlang einer Fläche des elektrischen Isolators 21 im Vergleich mit einem elektrischen Isolationsabstand (insbesondere einer Dicke des elektrischen Isolators) desjenigen Falls vergrößert, bei dem kein Einschnitt an dem elektrischen Isolator ausgebildet ist.
In ähnlicher Weise ist bei einem Fall, bei dem ein Einschnitt an der nach innen weisenden Fläche (Anschlussseitenfläche) des elektrischen Isolators 21 ausgebildet ist und der elektrische Anschluss 20 an dem Einschnitt angeordnet ist, der elektrische Isolationsabstand zwischen der Druckplatte 26 und dem elektrischen Anschluss 20 erhöht.
Wenn derartige Einschnitte an sowohl der nach außen weisenden Fläche und der nach innen weisenden Fläche des elektrischen Isolators 21 ausgebildet werden, wird der elektrische Isolationsabstand C zwischen der Druckplatte 26 und dem elektrischen Anschluss 20 weitergehend erhöht.
Nachstehend werden Abschnitte erklärt, die jedem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eigen sind.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in den 11–15 dargestellt ist, ist die konvexe gekrümmte Fläche des konvexen Abschnitts 28 eine sphärische Fläche bzw. eine Kugelfläche, genauer gesagt ein Abschnitt einer sphärischen Fläche bzw. einer Kugelfläche.
Mit den Wirkungen der sphärischen Fläche kann, auch wenn sich die Brennstoffzellen in irgendeine Richtung neigen, die Druckplatte 26 der Neigung der Brennstoffzellen folgend kippen und kann die Brennstoffzellen an der gesamten Ebene der Brennstoffzellen bei einem gleichen Druck pressen.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in 16 dargestellt ist, kann für den Fall, bei dem die Brennstoffzellen hinsichtlich der Verschiebung in eine der zwei Richtungen senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung durch das Befestigungselement 24 beschränkt sind, die gekrümmte Fläche des konvexen Abschnitts 28 eine zylindrische Fläche sein, die in die andere Richtung der zwei Richtungen gekrümmt ist, in die die Brennstoffzellen nicht hinsichtlich der Verschiebung durch das Befestigungselement 24 beschränkt sind. In diesem Fall ist der an der Endplatte 22 ausgebildete konkave Abschnitt 27 eine zylindrische Fläche oder abgeschrägte Fläche zum Aufnehmen des konvexen Abschnitts 28 darin und zum Berühren des konvexen Abschnitts 28.
Die zylindrische Fläche des konvexen Abschnitts 28 kann in ähnlicher Weise wie die sphärische Fläche in der Richtung wirken, in der die Brennstoffzellen nicht hinsichtlich der Verschiebung durch das Befestigungselement 24 beschränkt sind.
Die Druckplatte 26 kann relativ zu der Endplatte kippen, und daher wird die gleiche Wirkung wie diejenige des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erhalten.
In dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in den 17–21 dargestellt ist, ist der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 aus einer Vielzahl von Sätzen von Konusscheibenfedern 32A und 32B aufgebaut. Die Vielzahl der Sätze der Konusscheibenfedern 32A und 32B sind in Reihe zueinander angeordnet. Jeder Satz der Konusscheibenfedern 32A, 32B weist zumindest eine Konusscheibenfeder auf. Für den Fall, dass der Satz der Konusscheibenfedern eine Vielzahl von Konusscheibenfedern aufweist, sind die Konusscheibenfedern oben aufeinander gestapelt.
Der Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 ist zwischen angrenzenden Sätzen von Konusscheibenfedern 32A und 32B angeordnet. Der Satz der Konusscheibenfedern 32A ist an der Endplattenseite des Berührungsabschnitts des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 angeordnet, und ein anderer Satz von Konusscheibenfedern 32B ist an der Druckplattenseite des Berührungsabschnitts des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 angeordnet. Ein Ende kleineren Durchmessers von jedem der Sätze der Konusscheibenfedern 32A und 32B ist an der Seite angeordnet, die dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 näher ist, und ein Ende größeren Durchmessers von jedem der Sätze der Konusscheibenfedern 32A und 32B ist an der Seite angeordnet, die näher an der Endplatte 22 bzw. der Druckplatte 26 liegt.
Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 ist aus Konusscheibenfedern aufgebaut, wobei die Konusscheibenfedern der thermischen Ausdehnung und Schrumpfung sowie Verformung aufgrund des Kriechens bzw. Quellens, das in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, folgen und diese aufnehmen können. Des Weiteren ist in dem Fall, dass der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 aus einer Vielzahl von Sätzen von Konusscheibenfedern aufgebaut ist, die in Reihe zueinander angeordnet sind, durch Anordnen des Berührungsabschnitts des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 zwischen den Sätzen der Konusscheibenfedern 32A und 32B die Befestigungslast bzw. die Festziehlast an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 radial verteilt und kann sowohl auf einen äußeren Abschnitt der Endplatte 22 als auch einen äußeren Abschnitt der Druckplatte 22 übertragen werden. Diese Lastverteilung trägt zu dem gleichmäßigen Pressen der Brennstoffzellen bei.
Die erste Endplatte 22A weist einen Endplattenhauptabschnitt 22a und einen Einstellabschnitt 22b auf, der hinsichtlich der Position relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a in der Brennstoffzellenstapelrichtung einstellbar ist. Zumindest ein Abschnitt 32A des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 ist zwischen dem Endplattenhauptabschnitt 22a und dem Einstellabschnitt 22b angeordnet. Der Einstellabschnitt 22b weist einen Innengewindeabschnitt 22b-1, der bezüglich der Rotation relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a begrenzt ist, und einen Außengewindeabschnitt 22b-2 auf, der mit dem Innengewindeabschnitt 22b-1 verschraubt ist und bezüglich der Position relativ zu dem Innengewindeabschnitt 22b-1 in einer axialen Richtung des Außengewindeabschnitts 22b-2 einstellbar ist. Der konkave Abschnitt 27 ist an dem Außengewindeabschnitt 22b-2 ausgebildet.
Mit diesem Endplattenaufbau wird, da die erste Endplatte 22A in den Endplattenhauptabschnitt 22a und den Einstellabschnitt 22b geteilt ist und ein Abschnitt 32A des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 zwischen dem Endplattenhauptabschnitt 22a und dem Einstellabschnitt 22b angeordnet ist, durch Verwenden einer Konusscheibenfeder für den Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 die an dem Einstellabschnitt 22b aufgenommene Punktlast verteilt und zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a übertragen. Da des Weiteren der Einstellabschnitt 22b aus dem Innengewindeabschnitt 22b-1 und dem Außengewindeabschnitt 22b-2 aufgebaut ist, dreht sich der Innengewindeabschnitt 22b-1 nicht, wenn der Außengewindeabschnitt 22b-2 relativ zu dem Innengewindeabschnitt 22b-1 gedreht wird, so dass eine Verdrehlast an dem Satz der Konusscheibenfedern 32A zwischen dem Endplattenhauptabschnitt 22a und dem Einstellabschnitt 22b nicht wirkt.
Die Druckplatte 26 ist in zwei Elemente geteilt: ein nach innen weisendes Element 26a und ein nach außen weisendes Element 26b in Brennstoffzellenstapelrichtung, sowie zumindest ein Abschnitt 32B des Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 ist zwischen den zwei Elementen 26a und 26b der Druckplatte 26 angeordnet. Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32B weist eine Vielzahl von Konusscheibenfedern auf, die aneinander gestapelt sind.
Mit dem Druckplattenaufbau ist der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32B aus Konusscheibenfedern aufgebaut, wobei die an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 aufgenommene Punktlast verteilt wird und auf das nach innen weisende Element 16b übertragen wird.
Der konvexe Abschnitt 28 ist an dem nach außen weisenden Element 26b ausgebildet. Des Weiteren ist ein Lastsensor 34 an dem nach außen weisenden Elementen 26b vorgesehen. Der Lastsensor 34 ist Dehnmessstreifen. Eine Vielzahl von (beispielsweise vier) Dehnmessstreifen ist an dem Element 26b vorgesehen und an gleichen Abständen angeordnet.
Mit dem Lastsensor 34 kann, da der Lastsensor 34 an der Brennstoffzellenseite an dem Kontaktabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 angeordnet ist, der Sensor 34 die Lasten, die senkrecht zu der Zellenebene wirken, genau messen. Da des Weiteren die Vielzahl der Dehnmessstreifen an gleichen Abständen angeordnet sind, können die Lasten in alle Richtungen gemessen werden.
Eine nach außen weisende Ecke des äußeren Abschnitts der Druckplatte 26 ist abgeschrägt, um eine abgeschrägte Fläche 36 auszubilden. Aufgrund dieser abgeschrägten Fläche 36 hat die Außenfläche der Druckplatte 26 eine Höhe h₁ in der Brennstoffzellenstapelrichtung, die kleiner als eine Höhe h₂ einer Innenfläche in der Brennstoffzellenstapelrichtung der Wand des elektrischen Isolators 21 ist, der den Einschnitt 33 darin definiert.
Mit diesem elektrischen Isolatoraufbau, mit dem ein kompakter Aufbau erhalten wird, kann der elektrische Isolationsabstand (a + b + c in 20) zwischen der Druckplatte 26 und dem elektrischen Anschluss 20 entlang dem elektrischen Isolator 21 groß sein.
Der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 weist einen Satz von Konusscheibenfedern 32A, 32B auf, die bezüglich des Abschrägungswinkels umgekehrt sind, wenn eine Brennstoffzellenstapelkraft an zumindest einem Satz der Konusscheibenfedern 32A, 32B wirkt. Genauer gesagt, werden die Abschrägungswinkel der Konusscheibenfedern 32A und 32B, wenn keine Last an dem Brennstoffzellenstapel wirkt, der in 17 gezeigt ist, zu den Abschrägungswinkeln der Konusscheibenfedern 32A und 32B umgekehrt, wenn die Befestigungslast bzw. die Festziehlast an dem Brennstoffzellenstapel wirkt, wie in den 18 und 19 gezeigt ist.
Mit diesem Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 wird gemäß der grafischen Darstellung einer Last gegen eine Verformung von 21 ein flacher Bereich H an einem Abschrägungswinkelumkehrpunkt und dessen Umgebung erzeugt. Bei diesem Bereich ändert sich die Brennstoffzellenfestziehlast wenig, auch wenn die Konusscheibenfedern in großem Maße verformt werden. Dadurch, dass die Brennstoffzellenfestziehlast auf diesen flachen Bereich gebracht wird, kann die Stapelfestziehlast ungeachtet der thermischen Ausdehnung oder der Schrumpfung sowie der Kriechverformung des Brennstoffzellenstapels stabil sein.
Zumindest ein Paar von Federsitzen 35 ist an der Druckplatte 26 und der Endplatte 22 zum Berühren und zum Stützen des Satzes der Konusscheibenfedern 32 an einem radial inneren Ende und einem radial äußeren Ende des Satzes der Konusscheibenfedern 32 vorgesehen. Jedes Paar der Federsitze 35 ist mit einem Winkel geneigt, der gleich oder größer als ein umgekehrter Abschrägungswinkel θ des entsprechenden Satzes der Konusscheibenfedern 32 ist, an dem die Festziehlast lastet.
Mit diesem abgeschrägten Federsitzaufbau stehen die Konusscheibenfedern 32 und die Federsitze 35 in Linienberührung miteinander an Kontaktabschnitten der Konusscheibenfedern 32, insbesondere dem radial inneren Abschnitt und dem radial äußeren Abschnitt der Konusscheibenfedern 32. Die Berührungsabschnitte ändern sich nicht vor und nach dem Lastaufbringen der Festziehlast sowie vor und nach der Umkehrung der Abschrägungswinkel der Konusscheibenfedern 32. Als Folge ist die Festziehlast stabil, die an dem Brennstoffzellenstapel lastet.
In den vierten bis sechsten Ausführungsbeispielen (22–25) der vorliegenden Erfindung ist der Brennstoffzellenstapel 23 mit einem Anbringelement zum Anbringen des Brennstoffzellengeräts an einem Fahrzeug versehen, an dem das Brennstoffzellengerät 10 montiert ist. Das Anbringelement ist aus einem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 23 selbst aufgebaut.
In dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in den 22 und 23 dargestellt ist (wobei der Stapel umgekehrt zueinander in eine aufwärts- und abwärtsgerichtete Richtung dargestellt ist), ist das Brennstoffzellengerät 10 mit einer unteren Spannplatte 24A und einer oberen Spannplatte 24B versehen. Das Anbringelement ist aus einer unteren Spannplatte 24A aufgebaut.
Die untere Spannplatte 24A ist aus einem derartig steifen Material, wie zum Beispiel Eisen, Edelstahl und Kunststoffwerkstoff, hergestellt. Die untere Spannplatte 24A ist mit einem Anbringabschnitt 40 versehen. Wie in 23 dargestellt ist, gibt es einen Spalt 41 zwischen dem Anbringabschnitt 40 und der Modulbatterie oder den Brennstoffzellen. Eine Schraube 42, die in den Spalt 41 eingesetzt ist, durchdringt den Anbringabschnitt 40 und das Fahrzeugseitenelement 43 sowie wechselwirkt mit einer Mutter 44, wobei die Schraube 42 die untere Spannplatte 24A an dem Fahrzeugseitenelement 43 hält. So ist der Brennstoffzellenstapel 23 an dem Fahrzeug angebracht. Durch Anbringen des Brennstoffzellenstapels 23 an dem Fahrzeug an der unteren Spannplatte 24A wird die Festigkeit der unteren Spannplatte 24A erhöht. Aufgrund dieses Aufbaus wird die Spannplatte, die einen Druck an den Brennstoffzellen hält, verfestigt bzw. verstärkt.
Da die untere Spannplatte 24A einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 23 bildet und den Stapel an dem Fahrzeugseitenelement 43 anbringt, ist es nicht erforderlich, ein spezielles Anbringelement vorzusehen, und die Anzahl der Teile wird nicht erhöht.
Der Aufbau des Anbringabschnitts 40 ist nicht auf den Aufbau beschränkt, der sich in die Brennstoffzellenstapelrichtung erstreckt und kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden.
Des Weiteren ist der Anbringaufbau der Spannplatte 24A an dem Fahrzeugseitenelement 43 nicht auf den Aufbau der Schraube 42 und der Mutter 44 beschränkt, sondern kann durch einen anderen Aufbau ersetzt werden, wie zum Beispiel einen Aufbau, bei dem ein Innengewindeloch an der unteren Spannplatte 24A ausgebildet ist und eine Schraube in das Innengewinde ohne Verwendung einer Mutter eingeschraubt ist.
In dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (24) bildet die untere Spannplatte 24A das Anbringelement. Ein Einschnitt 25, der sich in eine Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung erstreckt, ist an dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Eine Schraube 42 ist in einen Spalt 46 eingesetzt, der zwischen dem Einschnitt 45 und der unteren Spannplatte 24A ausgebildet ist, und bringt die untere Spannplatte 24A an dem Fahrzeugseitenelement 43 an. Durch diesen Aufbau kann durch die Verwendung der unteren Spannplatte 24A der Brennstoffzellenstapel 23 an das Fahrzeug angebracht werden. Die Spannplatte 24A kann durch eine Spannschraube ersetzt werden.
In dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (25) ist das Anbringelement aus einem von dem Zufuhr- oder Abgasrohr zum Zuführen oder Auslassen des Reaktionsgases oder des Kühlmittels zu oder von dem Brennstoffzellenstapel und die Trenneinrichtung und/oder die Endplatten des Brennstoffzellenstapels aufgebaut. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel 23 an dem Fahrzeugseitenelement 43 durch das Zufuhr- oder Auslassrohr 47 zum Zuführen oder Auslassen des Reaktionsgases oder des Kühlmittels zu den Brennstoffzellen und durch zumindest einen Abschnitt (eine Trenneinrichtung, die zum Anbringen verwendet wird) der Trenneinrichtungen 18 angebracht. Die Trenneinrichtung, die zum Anbringen verwendet wird, kann einen Aufbau haben, der von anderen Trenneinrichtungen verschieden ist. Zum Beispiel kann nur die Trenneinrichtung, die zum Anbringen verwendet wird, bezüglich der Dicke vergrößert sein, wodurch ein Anstieg der Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels unterdrückt wird.
Obwohl in dem vierten bis sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Anbringelement eine untere Spannplatte 24A, die Endplatte 22, das Zuführ- oder Auslassrohr 47 oder die Trenneinrichtung 18 aufweist, ist das Anbringelement nicht auf diejenigen Elemente beschränkt und kann aus anderen Elementen aufgebaut sein, die einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 23 bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die folgenden technischen Vorteile erhalten:
Da die Endplatte 22 und die Spannplatte 26 an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27 aneinander gepresst werden, auch wenn die Brennstoffzellen nicht exakt parallel zueinander sind, kann die Endplatte 22 an einem Punkt der Druckplatte 26 an dem Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 und des konkaven Abschnitts 27 so pressen, dass die Druckplatte den Brennstoffzellenstapel 23 mit einem gleichmäßig verteilten Druck über die gesamte quer gerichtete Querschnittsfläche des Brennstoffzellenstapels pressen kann. Da des Weiteren der konvexe Abschnitt 28 an der Druckplatte 26 ausgebildet ist, kann die Parallelabweichung zwischen Brennstoffzellen durch Rotation oder Kippen der Druckplatte 26 an der Mitte der Krümmung der gekrümmten Fläche des konvexen Abschnitts 28 aufgenommen werden, ohne dass das eine Verschiebung der Brennstoffzellen in eine Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung mit sich bringt. Da des Weiteren der konkave Abschnitt 27 an der Endplatte 22 ausgebildet ist, versetzen sich der konvexe Abschnitt 28 und der konkave Abschnitt 27 nicht relativ zueinander in die quer gerichtete Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung, und die Kupplung ist stabil.
Für den Fall, dass die Endplatte 22 und das Befestigungselement 24 durch eine Verzahnung 29 und eine Schraube 25 gekoppelt sind, tritt kein Rutschen zwischen der Endplatte 22 und dem Befestigungselement 24 auf. Als Folge kann ein Durchmesser eines Gewindelochs, das an der Endplatte 22 zum Aufnehmen der Schraube 25 ausgebildet ist, klein sein und eine Dicke der Endplatte 22 kann gering sein. Als Ergebnis kann die Gesamtlänge des Brennstoffzellenstapels verringert werden.
Für den Fall, dass der Einstellabschnitt 22b vorgesehen ist, ist eine Positionseinstellung eines Betrags, der kleiner als eine Teilung der Verzahnungszähne ist, möglich.
Für den Fall, dass der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 vorgesehen ist, wird, auch wenn die Last aufgrund der thermischen Ausdehnung und Schrumpfung sowie der Kriechverformung des Brennstoffzellenstapels abweicht, die Abweichung hinsichtlich der Last, die auf dem Brennstoffzellenstapel 23 lastet, unterdrückt.
Für den Fall, dass ein Einschnitt 33 an dem elektrischen Isolator 21 ausgebildet ist, ist der elektrische Isolationsabstand entlang der Außenfläche des elektrischen Isolators 21 zwischen der Druckplatte 26 und dem elektrischen Anschluss 20 lang, so dass die elektrische Isolation verbessert wird.
Für den Fall, dass die gekrümmte Fläche des konvexen Abschnitts 28 eine sphärische Fläche ist, kann der Druck an der Brennstoffzelle in alle Richtungen gleich bzw. gleichmäßig sein.
Für den Fall, dass eine Verschiebung der Brennstoffzellen durch das Befestigungselement beschränkt wird, kann die gekrümmte Fläche des konvexen Abschnitts 28 durch eine zylindrische Fläche ersetzt werden, und ein ähnlicher Vorteil wie der der sphärischen Fläche kann erhalten werden.
Für den Fall, dass der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 vorgesehen ist, kann der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 die thermische Ausdehnung und/oder -schrumpfung sowie eine Kriechverformung des Brennstoffzellenstapels aufnehmen. Wenn der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 aus einer Konusscheibenfeder aufgebaut ist, kann die Konusscheibenfeder die Last verteilen und die Last zu der Endplatte 22 und der Druckplatte 26 übertragen. Wenn der Lastabweichungsverringerungsmechanismus 32 aus einer Vielzahl von Sätzen von Federn aufgebaut ist, die in Reihe zueinander angeordnet sind, und der Berührungsabschnitt zwischen der Vielzahl der Sätze der Federn angeordnet ist, kann die Last von dem Berührungsabschnitt verteilt werden und zu der Endplatte 22 und der Druckplatte 26 übertragen werden.
Für den Fall, dass die erste Endplatte 22A aus einem Endplattenhauptabschnitt 22a und dem Einstellabschnitt 22b aufgebaut ist und zumindest ein Satz von Konusscheibenfedern 32A zwischen den Abschnitten 22a und 22b angeordnet ist, kann die Last, die an dem Einstellabschnitt 22b aufgenommen wird, verteilt werden und zu dem Endplattenhauptabschnitt 22a übertragen werden. Da der Einstellabschnitt 22b den Innengewindeabschnitt 22b-1 und den Außengewindeabschnitt 22b-2 aufweist, wirkt keine Verdrehkraft an der Konusscheibenfeder 32A, da der Innengewindeabschnitt 22b-1 hinsichtlich der Rotation beschränkt ist.
Für den Fall, dass die Druckplatte 26 in zwei Elemente 26a und 26b geteilt ist und ein Satz von Konusscheibenfedern 32B zwischen den zwei Elementen 26a und 26b angeordnet ist, kann die an dem Element 26b aufgenommene Last verteilt werden und zu dem anderen Element 26a übertragen werden.
Für den Fall, dass der Lastsensor 34 an dem Element 26b vorgesehen ist, kann, da der Lastsensor 34 an der Seite, die den Brennstoffzellen näher ist, als der Berührungsabschnitt des konvexen Abschnitts 28 mit dem konkaven Abschnitt 27, der Sensor 34 die Kraft, die senkrecht zu der Brennstoffzellenebene wirkt, genau messen.
Für den Fall, dass die Höhe der Seite der Druckplatte 26 geringer ist als die Höhe des Einschnitts des elektrischen Isolators 21, kann die elektrische Isolationslänge entlang der Fläche des elektrischen Isolators 21 lang sein und eine gute elektrische Isolation wird erhalten.
Für den Fall, dass der Abschrägungswinkel der Konusscheibenfeder umgekehrt wird, wenn eine Festziehlast an dem Brennstoffzellenstapel 23 lastet, wird ein flacher Bereich in der grafischen Darstellung der Last gegen die Verformung der Konusscheibenfedern erhalten, und durch Verwenden der Konusscheibenfeder bei dem flachen Bereich ist die Festziehlast des Brennstoffzellenstapels stabil.
Für den Fall, dass der Federsitz 35 zum Stützen der Konusscheibenfeder mit einem Abschrägungswinkel versehen ist, der größer als derjenige der umgekehrten Konusscheibenfeder ist, steht der Federsitz 35 und die Konusscheibenfeder in Linienberührung mit dem konstanten Abschnitt der Konusscheibenfeder, so dass die Festziehlast, die an den Brennstoffzellen lastet, ungeachtet der thermischen Ausdehnung oder -schrumpfung sowie der Kriechverformung des Brennstoffzellenstapels stabil ist.
Für den Fall, dass das Stapelanbringelement aus einem Abschnitt des Brennstoffzellenstapels selbst aufgebaut ist, ist es nicht notwendig, ein zusätzliches Anbringelement vorzusehen, das nur zum Anbringen des Brennstoffzellenstapels an ein Fahrzeug verwendet wird, so dass das Anbringen des Brennstoffzellenstapels an das Fahrzeug mit einer geringen Zahl von Anbringelementen möglich ist.
Für den Fall, dass der Brennstoffzellenstapel an das Fahrzeug durch das Anbringelement angebracht wird, das einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels bildet, ist es nicht notwendig, ein zusätzliches Anbringelement vorzusehen, das nur zum Anbringen des Brennstoffzellenstapels an dem Fahrzeug verwendet wird, so dass das Anbringen des Brennstoffzellenstapels an dem Fahrzeug verwendet wird, so dass das Anbringen des Brennstoffzellenstapels an dem Fahrzeug mit einer geringen Anzahl von Anbringelementen möglich wird, was einen Anstieg des Anbringarbeitsaufwands und des Gewichts unterdrückt.

Claims

Brennstoffzellengerät (10) mit einem Brennstoffzellenstapel (23), der eine Anzahl übereinander gestapelter Brennstoffzellenmodule (19) umfasst, die zwischen Endplatten (22) eingespannt sind, welche an ein Befestigungselement (24) gekoppelt sind und welche Einspannkräfte über eine an einem Stapelende der Brennstoffzellenmodule (19) angeordnete Druckplatte (26) auf diese aufbringen, die an einer der zugehörigen Endplatte (22) zuweisenden Seite einen konvexen Kupplungsabschnitt (28) aufweist, welcher mit einem konkaven Kupplungsabschnitt (27) der Endplatte (22) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass der konvexe Kupplungsabschnitt (28) und/oder der konkave Kupplungsabschnitt (27) als ein von der Endplatte (22) oder der Druckplatte (26) separates Kupplungselement ausgebildet ist, das über eine Druckfedereinrichtung (32) mit der Endplatte (22) und/oder der Druckplatte (26) verbunden ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Endplatte (22A, 22B) mit dem Befestigungselement (24) durch eine Verzahnung (29) und eine Schraube (25) gekoppelt ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endplatte (22A) einen Endplattenhauptabschnitt (22a) und einen Einstellabschnitt (22b) aufweist, der hinsichtlich der Position relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt (22a) in Brennstoffzellenstapelrichtung einstellbar ist, wobei der konkave Kupplungsabschnitt (27) an dem Einstellabschnitt (22b) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedereinrichtung (32) eine Vielzahl von Sätzen von Konusscheibenfedern (32A, 32B) aufweist, die in Reihe zueinander angeordnet sind.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endplatte (22A) einen Endplattenhauptabschnitt (22a) und einen Einstellabschnitt (22b) aufweist, der in der Position relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt (22a) in der Brennstoffzellenstapelrichtung einstellbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt der Druckfedereinrichtung (32) zwischen dem Endplattenhauptabschnitt (22a) und dem Einstellabschnitt (22b) angeordnet ist, wobei der Einstellabschnitt (22b) einen Innengewindeabschnitt (22b-1), der hinsichtlich einer Rotation relativ zu dem Endplattenhauptabschnitt (22a) begrenzt ist, und einen Außengewindeabschnitt (22b-2) aufweist, der an dem Innengewindeabschnitt (22b-1) verschraubt ist und in der Position relativ zu dem Innengewindeabschnitt (22b-1) in eine axiale Richtung des Außengewindeabschnitts (22b-2) einstellbar ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedereinrichtung (32) zumindest einen Satz von Konusscheibenfedern (32A, 32B) aufweist, die hinsichtlich des Abschrägungswinkels umgekehrt werden, wenn eine Brennstoffzellenstapelkraft an dem zumindest einen Satz der Konusscheibenfedern (32A, 32B) wirkt.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest ein Paar von Federsitzen (35), die an zumindest entweder der Druckplatte (26) oder der Endplatte (22) für ein Berühren und Stützen des zumindest einen Satzes der Konusscheibenfedern (32) an einem radial inneren Ende und einem radial äußeren Ende des zumindest einen Satzes der Konusscheibenfedern vorgesehen ist, wobei jedes des zumindest einen Paares der Federsitzes (32) mit einem Winkel geneigt ist, der gleich oder größer als ein Abschrägungswinkel seines entsprechenden zumindest einen Satzes der Konusscheibenfedern (32) ist, die hinsichtlich des Abschrägungseinwinkels umgekehrt sind.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrischen Isolator (21), der nach innen weisend von der Druckplatte (26) angeordnet ist, und wobei der elektrische Isolator (21) eine nach außen weisende Fläche und einen Einschnitt (33) hat, der an dem elektrischen Isolator (21) an der nach außen weisenden Fläche des elektrischen Isolators (21) ausgebildet ist, wobei die Druckplatte (26) an dem Einschnitt (33) des elektrischen Isolators (21) angeordnet ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (26) eine nach außen weisende Fläche aufweist, die eine Höhe in Brennstoffzellenstapelrichtung hat, die geringer als eine Höhe einer Innenseite in Brennstoffzellenstapelrichtung des Einschnitts (33) ist, der an dem elektrischen Isolator (21) ausgebildet ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des konvexen Kupplungsabschnitts (28) eine sphärische Fläche aufweist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Brennstoffzellen hinsichtlich einer Verschiebung in eine von zwei Richtungen senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung durch das Befestigungselement (24) begrenzt sind, die gekrümmte Fläche des konvexen Kupplungsabschnitts (28) eine zylindrische Fläche aufweisen kann, die in die andere Richtung der zwei Richtungen gekrümmt ist, in die die Brennstoffzellen nicht hinsichtlich der Verschiebung durch das Befestigungselement (24) beschränkt sind.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem konvexen Kupplungsabschnitt (28) ein Lastsensor vorgesehen ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Anbringelement zum Anbringen des Brennstoffzellengeräts (10) an ein Fahrzeug, an das das Brennstoffzellengerät (10) montiert ist, wobei das Anbringelement aus einem Abschnitt des Brennstoffzellengeräts (10) selbst aufgebaut ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringelement ein Befestigungselement (24) ist, das die Endplatten (22A, 22B) verbindet.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringelement einen Befestigungsabschnitt (40) hat, der in eine Richtung von dem Brennstoffzellenstapel (23) weg und in eine Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung vorsteht, wobei das Anbringelement an dem Fahrzeug an dem Befestigungsabschnitt (40) angebracht ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (23) einen Einschnitt (45) hat, der sich von einer Fläche des Brennstoffzellenstapels (23) in die Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung erstreckt, und wobei das Anbringelement einen Befestigungsabschnitt an einer Position entsprechend dem Einschnitt (45) hat, wobei das Anbringelement an dem Fahrzeug an dem Befestigungsabschnitt angebracht ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringelement eine der Endplatten (22A, 22B) oder eine Trenneinrichtung (18) der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellengerät (10) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbringelement ein Element zum Zuführen von Reaktionsgas oder Kühlmittel zu dem Brennstoffzellengerät (10) ist.