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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. Oktober 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2014-209749 , deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
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Eine Brennstoffzelle hat einen Brennstoffzellenstapel mit einem Stapelaufbau, in dem eine Mehrzahl von Elementarzellen der Brennstoffzelle gestapelt sind, wobei jede der Elementarzellen Leistung bzw. Strom erzeugt. In dem Brennstoffzellenstapel sind Anschlußplatten, die als Stromkollektoren dienen, zur Verbindung mit den Elementarzellen an den Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet, und Isolierplatten sind außerhalb der Anschlußplatten angeordnet. Die Brennstoffzelle hat ein Gaszuführsammelrohr und ein Gasaustragsammelrohr, die in Zellstapelrichtung verlaufen, so dass sie den Brennstoffzellenstapel sowie die Anschlußplatten und die Endplatten, die mit den Enden des Brennstoffzellenstapels verbunden sind, durchdringen. Jede Elementarzelle der Brennstoffzelle wird mit Gas vom Gaszuführsammelrohr versorgt und gibt Abgas an das Gasaustragsammelrohr aus. Das im Gasaustragsammelrohr gesammelte Abgas wird über das Gasaustragsammelrohr, das auch in den Anschlußplatten und den Isolierplatten ausgebildet ist, außerhalb der Isolierplatte ausgegeben. Reaktionsgas wie Wasserstoffgas sowie Sauerstoffhaltiges Gas wie Luft werden den Elementarzellen zugeführt, und in dem aus den Elementarzellen ausgestoßenen Abgas kann Feuchtigkeit enthalten sein. Genauer gesagt kann das Abgas des Reaktionsgases Kondensat enthalten, das aus dem Dampf entsteht, der zur Befeuchtung beigemischt wird, und erzeugtes Wasser, das durch eine Elektrolytmembran gelangt ist, und das Abgas der Luft kann erzeugtes Wasser enthalten. Wenn das im Abgas enthaltene Wasser im Sammelrohr verbleibt, kann eine Strömung (Entladung bzw. Austragung) des Gases durch gefrorene Feuchtigkeit blockiert werden. Daher schlägt die
JP 2009-158338 A eine Technik zum Austragen von Feuchtigkeit durch ein Neigen des Gasaustragsammelrohres in eine Austragrichtung nach unten vor.
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Gemäß der in der
JP 2009-158338 A offenbarten Technik hat der Brennstoffzellenstapel, da der Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln von Elementarzellen gebildet wird, bezüglich der horizontalen Richtung geneigt ist, was der Neigung des Gasaustragsammelrohres entspricht, verschiedene Höhen in vertikale Richtung an einer Endseite und der anderen Endseite des Stapels. Wenn daher die Brennstoffzelle beispielsweise an einem Fahrzeug montiert wird, muss unter Berücksichtigung der Höhendifferenz in vertikale Richtung ein Bauraum sichergestellt werden und eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle durch Peripheriegeräte muss verhindert werden, weshalb die Einbaumöglichkeiten begrenzt sind. Aus diesem Grund besteht Bedarf an einem Aufbau, mit dem die in dem Gasaustragsammelrohr verbleibende Feuchtigkeit verringert werden kann, während flexible Einbaumöglichkeiten gewährleistet werden können.
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KURZFASSUNG
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Um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, kann die Erfindung entsprechend der nachfolgend dargestellten Aspekte verwirklich werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle geschaffen. die Brennstoffzelle weist auf: einen Brennstoffzellenstapel, der eine Stapelstruktur hat, bei der eine Mehrzahl von Elementarzellen, die elektrische Leistung erzeugen, gestapelt sind, eine Anschlußplatte, die mit Enden des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und die erzeugte elektrische Leistung sammelt, und eine Isolierplatte, die außerhalb der Anschlußplatte angeordnet ist. Die Anschlußplatte hat ein erstes Gasaustragsammelrohr, das mit einem stapelinternen Gasaustragsammelrohr auf einer Gasauslassseite kommuniziert. Das stapelinterne Gasaustragsammelrohr durchdringt den Brennstoffzellenstapel und verläuft in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels Die Isolierplatte hat ein zweites Gasaustragsammelrohr, das mit dem ersten Gasaustragsammelrohr kommuniziert. Die zumindest eine Isolierplatte ist dergestalt ausgebildet, dass, in einem Brennstoffzellen-Anordnungszustand, bei dem das stapelinterne Gasaustragsammelrohr im Wesentlichen horizontal ist, eine untere Sammelrohrwand des zweiten Gasaustragsammelrohres vertikal unter einer unteren Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres liegt.
Die Brennstoffzelle gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt wird als derart angeordnet angenommen, dass das stapelinterne Gasaustragsammelrohr, das den Brennstoffzellenstapel durchdringt und in Stapelrichtung der Brennstoffzelle verläuft, im Wesentlichen horizontal ist. Hierbei bedeutet „im Wesentlichen horizontal” eine Neigung um weniger als ±5 Grad von der horizontalen Richtung bezüglich der Längsrichtung und Breitenrichtung des Fahrzeugs, was in der normalen Abmessungsgenauigkeit beim Herstellen der Brennstoffzelle liegt. Wenn das stapelinterne Gasaustragsammelrohr nicht gerade ausgebildet ist (z. B. gekrümmt oder scharf abknickend), kann ein Teil des stapelinternen Gasaustragsammelrohres in der Nähe der Anschlußplatte im Wesentlichen horizontal sein. Gemäß der Brennstoffzelle nach diesem Aspekt kann, da es nicht nötig ist, die Elementarzellen selbst derart zu stapeln, dass die Elementarzellen bezüglich der horizontalen Richtung geneigt sind, oder den Brennstoffzellenstapel derart zu montieren, dass der Brennstoffzellenstapel in einem bestimmten Winkel geneigt ist, eine flexible Einbaumöglichkeit zum Zeitpunkt der Montage der Brennstoffzelle in dem vorstehend beschriebenen Anordnungszustand gewährleistet werden. Zudem kommuniziert bei der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt, um die aus jeder Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels in das stapelinterne Gasaustragsammelrohr ausströmende Feuchtigkeit mit der Gasströmung mitzuführen und zur Gasauslass- bzw. Gasaustragseite auszutragen, das stapelinterne Gasaustragsammelrohr auf der Gasauslassseite mit dem ersten Gasaustragsammelrohr der Anschlußplatte und dem zweiten Gasaustragsammelrohr der Isolierplatte in dieser Reihenfolge. Ferner ist, im Brennstoffzellen-Anordnungszustand, bei dem das stapelinterne Gasaustragsammelrohr im Wesentlichen horizontal ist, die in vertikale Richtung nach unten weisende untere Sammelrohrwand des zweiten Gasaustragsammelrohres vertikal niedriger angeordnet, als die in vertikale Richtung nach unten weisende untere Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres, so dass die nach unten weisende Absenkstufen zum Gasaustrag im ersten Gasaustragsammelrohr und zweiten Gasaustragsammelrohr ausgebildet sind. Daher kann bei der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt, da die Feuchtigkeit, die das erste Gasaustragsammelrohr auf der Auslassseite erreicht hat, zusätzlich zur Gasströmung durch das Gewicht der Feuchtigkeit selbst effizient zum zweiten Gasaustragsammelrohr ausgegeben wird, die Restfeuchtigkeit im Gasaustragsammelrohr verringert werden. Da zudem die Verringerung der Restfeuchtigkeit durch lediglich die Form des zweiten Gasaustragsammelrohres in der Isolierplatte erreicht werden kann, ist die Herstellung der Anschlußplatte und der Isolierplatte, die Bestandteile der Brennstoffzelle sind, einfacher, was zu einer Kostenverringerung beiträgt.
- (2) Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle kann, in dem Brennstoffzellen-Anordnungszustand, die Anschlußplatte dergestalt ausgebildet sein, dass die untere Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres vertikal unter einer unteren Sammelrohrwand des stapelinternen Gasaustragsammelrohres liegt. Somit kann Feuchtigkeit, die die auf der Gasauslassseite liegende Elementarzelle in der Brennstoffzelle erreicht hat, zusätzlich zur Gasströmung durch das Gewicht der Feuchtigkeit selbst effizient zum ersten Gasaustragsammelrohr ausgetragen werden, und die Feuchtigkeit kann auch effizient aus dem ersten Gasaustragsammelrohr zum zweiten Gasaustragsammelrohr ausgetragen werden. Daher kann die Effektivität zur Verringerung der Restfeuchte in dem Gasaustragsammelrohr verbessert werden.
- (3) Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelle kann, in dem Brennstoffzellen-Anordnungszustand, die Isolierplatte dergestalt ausgebildet sein, dass eine obere Sammelrohrwand des zweiten Gasaustragsammelrohres vertikal unter einer oberen Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres liegt, oder (4) die Anschlußplatte kann, in dem Brennstoffzellen-Anordnungszustand, dergestalt ausgebildet sein, dass eine obere Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres vertikal unter einer oberen Sammelrohrwand des stapelinternen Gasaustragsammelrohres liegt. Gas, das zum ersten Gasaustragsammelrohr geströmt ist, kollidiert somit mit der oberen Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres und Gas, das zum zweiten Gasaustragsammelrohr geströmt ist, kollidiert mit der oberen Sammelrohrwand des zweiten Gasaustragsammelrohres. Aufgrund der Kollisionen des Gases kann, da das Gas (zumindest ein Teil des Gases) zur in vertikale Richtung nach unten weisenden unteren Sammelrohrwand des ersten Gasaustragsammelrohres und zur in vertikale Richtung nach unten weisenden unteren Sammelrohrwand des zweiten Gasaustragsammelrohres fließt, die Austrageffizienz der Feuchtigkeit, die von der Gasströmung mitgenommen wird, verbessert werden, was hinsichtlich einer Verbesserung der Effektivität zur Verringerung der Restfeuchte im Gasaustragsammelrohr erwünscht ist.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise verwirklicht werden kann, beispielsweise in Form eines Verfahrens zum Herstellen einer Brennstoffzelle verwirklicht werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft anhand von Zeichnungen beschränkt, ohne jedoch auf die darin wiedergegebenen Darstellungen beschränkt zu sein, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Aufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Ansicht, die schematisch einen Sammelrohraufbau auf einer Gasauslassseite unter Verwendung einer Teilschnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang einer Linie 2-2 in 1 zeigt; und
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3 eine Ansicht, die schematisch einen Sammelrohraufbau auf einer Gasauslassseite bei einer Brennstoffzelle einer anderen Ausführungsform zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. 1 ist eine perspektivische Darstellung, die schematisch den Aufbau einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Brennstoffzelle 10 klemmt einen Brennstoffzellenstapel 100S durch ein Paar Endplatten 170F und 170E ein. Der Brennstoffzellenstapel 100S hat einen Stapelaufbau, in dem eine Mehrzahl von Elementarzellen 100 (jede Elementarzelle erzeugt Leistung) in Z-Richtung (nachfolgend als „Stapelrichtung” bezeichnet) gestapelt sind. Die Brennstoffzelle 10 wird in einem Zustand befestigt, bei dem sie in Zellstapelrichtung mittels eines Befestigungsbolzens 20, der an einem unteren Ende in der Mitte der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, und (nicht dargestellten) Befestigungsbolzen, die an Ecken der Brennstoffzelle 10 angeordnet sind, mit Druck beaufschlagt ist. Die Brennstoffzelle 10 hat an einer Endseite, d. h. zwischen der Endplatte 170F und der Elementarzelle 100, die in der Zeichnung an der vorderen Endseite angeordnet sind, eine Isolierplatte 165F und eine Anschlussplatte 160F, die in dieser Reihenfolge von Seiten der Endplatte 170F an der vorderen Endseite angeordnet sind. In ähnlicher Weise hat die Brennstoffzelle 10 auch zwischen der Endplatte 170E und der Elementarzelle 100, die an der hinteren Endseite angeordnet sind, eine Isolierplatte 165E und eine Anschlussplatte 160E, die in dieser Reihenfolge von der hinteren Endseite von der Seite der Endplatte 170E angeordnet sind. Das bedeutet, die Brennstoffzelle 10 klemmt den Brennstoffzellenstapel 100S mit den Anschlussplatten 160F und 160E, den Isolierplatten 165F und 165E sowie den Endplatten 170F und 170E ein, so dass die Abschlussplatten 160F und 160E, die als Stromkollektoren dienen, mit den Elementarzellen 100 verbunden sind, die an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 100S angeordnet sind. Jede der Anschlussplatten 160F und 160E ist mit einem Stromsammelanschluss 161 ausgestaltet, der als Stromkollektor dient, der aus einer Stahlplatte mit guter Leitfähigkeit besteht, und führt den gesammelten Strom zu einer externen Schaltung. Die Isolierplatten 165F und 165E bestehen aus einem natürlichen oder synthetischen Harz, das mit einer geeigneten Isolationsfähigkeit ausgestaltet ist.
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Jede der Elementarzellen 100, der Anschlussplatten 160F und 160E, der Isolierplatten 165F und 165E sowie der Endplatten 170F und 170E ist plattenförmig mit einer im Wesentlichen rechteckigen äußeren Gestalt ausgestaltet, bei der eine lange Seite in X-Richtung ausgerichtet ist und eine kurze Seite in Y-Richtung (vertikale Richtung) ausgerichtet ist. In diesem Fall ist die X-Richtung eine Richtung senkrecht zur Y-Richtung, die eine vertikale Richtung darstellt, und da eine XY-Ebene entlang der Plattenfläche einer jeden Elementarzelle 100 verläuft, wie in 1 dargestellt ist, ist die Stapelrichtung (Z-Richtung) der Elementarzellen 100 im Brennstoffzellenstapel 100S senkrecht zur X-Richtung und zur Y-Richtung. Die Brennstoffzelle 10 wird an einem (nicht dargestellten) Fahrzeug in einer Stellung montiert, bei welcher die Stapelrichtung (Z-Richtung) der Elementarzellen 100 zumindest in horizontale Richtung ausgerichtet ist. Die Montageposition ist wie folgt unter Berücksichtigung der Fahrzeuglängsrichtung. Wenn die X-Richtung in 1 die Fahrzeuglängsrichtung anzeigt, ist die Stapelrichtung (Z-Richtung) der Elementarzellen 100 in Fahrzeugbreitenrichtung, und die Brennstoffzelle 10 ist in einer Stellung montiert, bei welcher die Brennstoffzelle 10 horizontal in Fahrzeugbreitenrichtung orientiert ist. Wenn die X-Richtung in 1 die Fahrzeugbreitenrichtung bezeichnet, ist die Brennstoffzelle 10 in einer Stellung montiert, bei welcher die Brennstoffzelle 10 horizontal in Fahrzeuglängsrichtung orientiert ist, was der Stapelrichtung der Elementarzellen 100 entspricht.
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Nachfolgend wird ein Sammelrohraufbau, der bezüglich der Zufuhr und Abfuhr von Gas sowie der Zufuhr und Abfuhr von Kühlwasser in und aus der Brennstoffzelle 10 verwendet wird, beschrieben. 2 ist eine Teilschnittansicht des Brennstoffzellenstapels 100S entlang einer Linie 2-2 aus 1, bei welcher der Sammelrohraufbau auf der Gasauslassseite schematisch dargestellt wird. Erneut bezugnehmend auf 1 umfasst die Brennstoffzelle 10 zwischen der Endplatte 170F an der vorderen Endseite und der Elementarzelle 100 am hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 100S ein Brenngaszufuhrsammelrohr 172IN sowie ein Brenngasaustragsammelrohr 172OT, eine Mehrzahl von Oxidationsgaszufuhrsammelrohren 174IN und eine Mehrzahl von Oxidationsgasaustragsammelrohren 174OT sowie eine Mehrzahl von Kühlwasserzufuhrsammelrohren 176IN und eine Mehrzahl von Kühlwasseraustragsammelrohren 1767OT. Jedes Sammelrohr wird durch Ausrichten von Durchgangsöffnungen, die jeweils in der Endplatte 170F, der Isolierplatte 175F, der Anschlussplatte 160F und den Elementarzellen 100 des Brennstoffzellenstapels 110 gebildet sind, die an der vorderen Endseite angeordnet sind, entlang einer Linie parallel zur Zellstapelrichtung ausgebildet.
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Wie in 2 dargestellt ist, durchdringt jedes der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT die Elementarzellen 100 des Brennstoffzellenstapels 100S und verläuft in Stapelrichtung der Zellen und bildet ein stapelinternes Gasaustragsammelrohr 100OT, das einen Strömungspfad aufweist, der den gleichen Querschnitt durch den Stapelbereich der Elementarzellen 100 hindurch hat. Die Anschlussplatte 160F auf der vorderen Endseite umfasst erste Gasaustragsammelrohre 160OT, die jeweils mit den stapelinternen Gasaustragsammelrohren 100OT kommunizieren, auf der Gasauslassseite, wobei jedes der ersten Gasaustragsammelrohre 160OT Teil des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT ist. Die Isolierplatte 165F auf der vorderen Endseite, die mit der Anschlussplatte 160F verbunden ist, umfasst zweite Gasaustragsammelrohre 165OT, die jeweils mit den ersten Gasaustragsammelrohren 160OT kommunizieren, wobei jedes der zweiten Gasaustragsammelrohre 165OT Teil des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT ist. Die Endplatte 170F an der vorderen Seite, die mit der Isolierplatte 165F verbunden ist, umfasst dritte Gasaustragsammelrohre 170OT, welche jeweils mit den zweiten Gasaustragsammelrohren 165OT kommunizieren, wobei die dritten Gasaustragsammelrohre 170OT als Gasaustragungsenden der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT dienen.
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Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Brennstoffzelle 10 am (nicht dargestellten) Fahrzeug in der Stellung montiert, bei welcher die Stapelrichtung der Elementarzellen 100 in horizontale Richtung ausgerichtet ist und eine Strömungspfadrichtung der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT entspricht der horizontalen Richtung in der Montagestellung. Wie in 2 dargestellt ist, ist in der Montagestellung der Brennstoffzelle 10 wie vorstehend beschrieben die Anschlussplatte 160F in der Gestalt ausgebildet, dass eine untere Sammelrohrwand 160b, die in vertikale Richtung des ersten Gasaustragsammelrohres 160OT nach unten weist, in vertikale Richtung unter einer unteren Sammelrohrwand 100b angeordnet ist, die in vertikale Richtung des stapelinternen Gasaustragsammelrohres 100OT nach unten weist. Ferner ist die Isolierplatte 165F in der Gestalt ausgebildet, dass eine untere Sammelrohrwand 165b, die in vertikale Richtung des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT nach unten weist, in vertikale Richtung unter der unteren Sammelrohrwand 160b angeordnet ist, die in vertikale Richtung des ersten Gasaustragsammelrohres 160OT nach unten weist. Zudem ist die Endplatte 170F in der Gestalt ausgebildet, dass eine untere Sammelrohrwand 170b, die in vertikale Richtung des dritten Gasaustragsammelrohres 170OT nach unten weist, in vertikale Richtung unter der unteren Sammelrohrwand 165b angeordnet ist, die in vertikale Richtung des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT nach unten weist. Als Ergebnis des Ausbildens einer jeden Sammelrohröffnung der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 165F und der Endplatte 170F in der vorstehend beschriebenen Form werden die unteren Sammelwände von der Elementarzelle 100 am Ende in Richtung zur Endplatte 170F niedriger. Das bedeutet, die Brennstoffzelle 10 hat Stufen auf der Gasauslassseite des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT, die in Richtung zur Gasauslassseite niedriger sind. Die Stufen, d. h. Höhendifferenzen, der unteren Sammelrohrwände in vertikale Richtung stehen bezüglich der Abmessung um einige Millimeter zurück, was selbst bei einem Versatz beim Stapeln der Elementarzelle 100, der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 160F und der Endplatte 170F innerhalb des Toleranzbereichs liegt.
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Ähnlich zu dem vorstehend beschriebenen Oxidationsgasaustragsammelrohr 174OT haben das Gasoxidationsgaszufuhrsammelrohr 174IN, das Brenngaszufuhrsammelrohr 172IN, das Brenngasaustragsammelrohr 172OT, das Kühlwasserzufuhrsammelrohr 176IN und das Kühlwasseraustragsammelrohr 176OT Zufuhr- und Austragsammelrohre im Brennstoffzellenstapel 100S, die in Zellstapelrichtung verlaufen. Diese Zufuhr- und Austragsammelrohre sind in der Gestalt ausgebildet, dass die Zufuhr- und Austragsrohre im Stapel in gleicher Weise wie in der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 160F und der Endplatte 170F ausgestaltet sind.
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Demgegenüber sind die Zufuhr- und Austragsammelrohre nicht in der Endplatte 170E, der Isolierplatte 165E und der Anschlussplatte 160E vorgesehen, die an der hinteren Endseite liegen. Dies hat den Grund, dass der Brennstoffzellenstapel 100S dieser Ausführungsform eine Typ Brennstoffzelle ist, bei der das Reaktionsgas (Brenngas und Oxidationsgas) sowie Kühlwasser von der Endplatte 170F an der vorderen Endseite einer jeden Elementarzelle 100 über die Zufuhrsammelrohre zugeführt wird, während das Austragen von Gas und das Austragen von Wasser aus jeder Elementarzelle 100 von der Endplatte 170F an der vorderen Endseite nach außen über die Austragsammelrohre erfolgt. Es sei angemerkt, dass die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht auf den vorstehend beschriebenen Typ beschränkt ist, und der Brennstoffzellenstapel ein anderer von verschiedenen Typen sein kann, beispielsweise ein Typ, bei dem das Reaktionsgas und Kühlwasser von der vorderen Endplatte 170F an der vorderen Endseite zugeführt werden, während der Gasaustrag und der Wasseraustrag von der Endplatte 170E an der hinteren Endseite nach außen erfolgt. In diesem Fall haben die Anschlussplatte 160E, die Isolierplatte 165E und die Endplatte 170E, die an der hinteren Endseite (d. h. der Gasaustragsseite) liegen, die gleiche Gestalt wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform, wodurch die Stufen in jedem Sammelrohr wie vorstehend beschrieben gewährleistet sind.
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Die Mehrzahl von Oxidationsgaszufuhrsammelrohren 174 in der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform ist in X-Richtung (Richtung der langen Seite) entlang eines Außenrandabschnitts am unteren Ende der Endplatte 170F an der vorderen Endseite angeordnet, und die Mehrzahl von Oxidationsgasaustragsammelrohren 174OT ist in X-Richtung entlang eines Außenrandabschnitts am oberen Ende der Endplatte 170F an der vorderen Endseite angeordnet. Zudem ist das Brenngaszufuhrsammelrohr 172IN der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform an einem oberen Endabschnitt in Y-Richtung (Richtung der kurzen Seite) eines Außenrandabschnitts am rechten Ende der Endplatte 170F an der vorderen Endseite angeordnet, und das Brenngasaustragsammelrohr 172OT ist an einem unteren Endabschnitt in Y-Richtung eines Außenrandabschnitts an einem linken Ende angeordnet. Ferner ist die Mehrzahl von Kühlwasserzufuhrsammelrohren 176IN der Brennstoffzelle dieser Ausführungsformen in Y-Richtung unter dem Brenngaszufuhrsammelrohr 172IN angeordnet, und die Mehrzahl von Kühlwasseraustragsammelrohren 176OT ist in Y-Richtung über dem Brenngasaustragsammelrohr 172OT angeordnet. In diesem Fall sind in der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 165F und der Endplatte 170F einige oder alle der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT in X-Richtung in Form eines einzigen durchgängigen Sammelrohres ausgebildet. Eine jede Öffnung der Sammelrohre kann eine andere Form als die rechteckige Form haben, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, oval, dreieckig oder polygonal. Die Mehrzahl von Oxidationsgaszufuhrsammelrohren 174IN auf beiden Seiten des Befestigungsbolzens 20, die Mehrzahl der Kühlwasserzufuhrsammelrohre 176IN und die Mehrzahl der Kühlwasseraustragsammelrohre 176OT kann ebenso in Form eines einzigen durchgängigen Sammelrohres mit rechteckigem Querschnitt in der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 165F und der Endplatte 170F ausgebildet sein. Selbst wenn das Sammelrohr eine derartig rechteckige Gestalt hat, ist in der Montageposition der Brennstoffzelle 10 wie vorstehend beschrieben das erste Gasaustragsammelrohr 160OT im Oxidationsgasaustauschsammelrohr 174OT derart ausgestaltet, dass die untere Sammelrohrwand 160b niedriger als die untere Sammelrohrwand 100b in vertikale Richtung liegt, das zweite Austragsammelrohr 165OT ist derart ausgestaltet, dass die untere Sammelrohrwand 165b niedriger als die untere Sammelrohrwand 160b in vertikale Richtung liegt, und das dritte Gasaustragsammelrohr 170OT ist derart ausgestaltet, dass die untere Sammelrohrwand 170b niedriger als die untere Sammelrohrwand 165b in vertikale Richtung liegt.
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Die Anschlussplatte 160F an der vorderen Endseite und die Anschlussplatte 160E an der hinteren Endseite sind vorgesehen, um die von jeder Elementarzelle 100 erzeugte elektrische Leistung zu sammeln, und die gesammelte elektrische Leistung an der gesamten Platte nach außen über Stromsammelanschlüsse 161 abzugeben, die an einer Seite einer jeden Anschlussplatte 160F und 160E ausgebildet sind.
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Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau hat die folgenden Vorteile. Zunächst wird davon ausgegangen, dass die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform so orientiert ist, dass die Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT mit den stapelinternen Sammelrohren 100OT, welche die Elementarzellen 100 des Brennstoffzellenstapels 100S durchdringen und in Stapelrichtung der Elementarzellen verlaufen, horizontal angeordnet sind. Bei der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform kann, da es nicht notwendig ist, die Elementarzellen 100 selbst geneigt bezüglich der horizontalen Richtung anzuordnen, der Freiheitsgrad der Einbaumöglichkeit zum Zeitpunkt der Montage der Brennstoffzelle 10 im vorstehend beschriebenen Einbauzustand gewährleistet werden.
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Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform führt das von den Oxidationsgaszufuhrsammelrohren 174IN zugeführte Oxidationsgas einer jeden Elementarzelle 100 des Brennstoffzellenstapels 100S zu. Dann wird übermäßiges Oxidationsgas von jeder Elementarzelle 100 als Abgas an die Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT ausgegeben, wie in 2 dargestellt. Jede Elementarzelle 100 trägt das Abgas in Richtung der stapelinternen Gasaustragsammelrohre 100OT in eine sogenannte Vorwärtsrichtung aus, so dass der Gasaustrag nicht gegen die Gasströmung (Gasaustrag) in den Oxidationsgasaustragsammelrohren 174OT (im Detail: den stapelinternen Gasaustragsammelrohren 100OT) fließt. Das ausgetragene Gas, das auf diese Weise ausgetragen wird, enthält erzeugtes Wasser HO, und das erzeugte Wasser HO wird durch das ausgetragene Gas getragen und strömt aus jeder Elementarzelle 100 in die stapelinternen Gasaustragsammelrohre 100OT. Das derart eingeströmte Wasser HO wird von der Strömung des ausgetragenen Gases, das durch die stapelinternen Gasaustragsammelrohre 100OT strömt, mitgenommen, wird zur Gasauslassseite der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT getragen und dann von der Endplatte 170F nach außen ausgegeben.
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Die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform trägt das erzeugte Wasser HO, das zu den stapelinternen Gasaustragsammelrohren 100OT geströmt ist, zur Gasauslassseite durch Mitnehmen des erzeugten Wassers HO mit der Gasströmung. An der Gasauslassseite kommunizieren die stapelinternen Gasaustragsammelrohre 100OT mit den ersten Gasaustragsammelrohren 160OT der Anschlussplatte 160F, den zweiten Gasaustragsammelrohren 165OT, der Isolierplatte 165F und den dritten Gasaustragsammelrohren 170OT der Endplatte 170F in dieser Reihenfolge. Ferner ist die Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform wie vorstehend beschrieben mit Höhendifferenzen in vertikale Richtung an den unteren Sammelrohrwänden 160b, 165b und 170f für die Gasaustragsammelrohre ausgestaltet, um Stufen auf der Gasauslassseite der Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT auszubilden, so dass die Stufen in vertikale Richtung hin zur Gasauslassseite niedriger liegen. Daher kann gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform, das erzeugte Wasser HO, das einen Punkt unmittelbar vor dem ersten Gasaustragsammelrohr 160OT auf der Gasauslassseite erreicht hat, effizient zusätzlich zur Gasströmung auch durch das Gewicht des erzeugten Wassers HO selbst in das erste Gasauslasssammelrohr 160OT ausgetragen werden. In ähnlicher Weise kann das erzeugte Wasser HO, das das erste Gasaustragsammelrohr 160OT auf der Gasauslassseite erreicht hat, effizient zusätzlich zur Gasströmung durch das Gewicht des produzierten Wassers HO zum zweiten Gasaustragsammelrohr 165OT ausgetragen werden. Zudem kann das produzierte Wasser HO, das das zweite Gasaustragsammelrohr 165OT auf der Gasauslassseite erreicht hat, effizient zusätzlich zur Gasströmung durch das Gewicht des produzierten Wassers HO selbst zum dritten Gasaustragsammelrohr 170OT ausgetragen werden. Als Resultat hiervon kann gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform die Restfeuchtigkeit in den Oxidationsaustragsammelrohren 174OT mit den stapelinternen Gasaustragsammelrohren 100OT effizient verringert werden. Da zudem die Verringerung der Restfeuchtigkeit durch die Höhenanpassung der unteren Sammelrohrwände 160b, 165b und 170b in den Gasaustragsammelrohren erzielt werden kann, ist die Herstellung der Sammelrohre für die Anschlussplatte 160F, die Isolierplatte 165F und die Endplatte 170B, welche die Brennstoffzelle 10 bildet, einfacher, wodurch die Kosten verringert werden können.
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Selbst wenn das erzeugte Wasser HO in den Oxidationsgasaustragsammelrohren 174OT verbleibt, verbleibt das meiste produzierte Wassers HO an einer der Stufen der unteren Sammelrohrwand 160b, der unteren Sammelrohrwand 165b oder der unteren Sammelrohrwand 170b. Daher bedeckt, selbst wenn erzeugtes Wasser HO an diesen Stufen gefriert, das gefrorene erzeugte Wasser nur die Stufen, so dass die Querschnittbereiche der Gasströmungspfade im stapelinternen Gasaustragsammelrohr 100OT zum Gasauslassende des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT sichergestellt werden können. Als Ergebnis kann eine Gasblockade im Oxidationsgasaustragsammelrohr 174OT aufgrund des gefrorenen restlichen erzeugten Wassers ebenso vermieden werden, wodurch die Möglichkeit zum Kaltstart der Brennstoffzelle 10 sichergestellt werden kann.
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Nachfolgend wird eine andere Ausführungsform beschrieben. 3 ist eine Querschnittansicht, die schematisch den Sammelrohraufbau auf der Gasauslassseite der Elementarzellen 100 eine Brennstoffzelle 10A bei einer anderen Ausführungsform ähnlich zu 2 zeigt. Die Brennstoffzelle 10A dieser Ausführungsform hat die gleiche Fahrzeugmontageposition, bei der die Oxidationsgasaustragsammelrohre 174OT mit den stapelinternen Gasaustragsammelrohren 100OT horizontal ausgerichtet sind, wie in der Zeichnung dargestellt. Wie dargestellt ist, kommuniziert bei der Brennstoffzelle 10A jedes der stapelinternen Gasaustragsammelrohre 100OT mit dem ersten Gasaustragsammelrohr 160OT, dem zweiten Gasaustragsammelrohr 165OT und dem dritten Gasaustragsammelrohr 170OT in dieser Reihenfolge, und die Höhenunterschiede in vertikale Richtung sind an den unteren Sammelrohrwänden 160b, 165b und 170b wie bei dem vorstehend beschriebenen Gasaustragsammelrohr ausgebildet, um die Stufen auf der Gasauslassseite des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT zu bilden, so dass die Stufen in vertikale Richtung hin zu Gasauslassseite niedriger sind.
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Zudem ist bei der Brennstoffzelle 10A dieser Ausführungsform eine obere Sammelrohrwand 160t des ersten Gasaustragsammelrohres 160OT niedriger in vertikale Richtung als eine obere Sammelrohrwand 100t des stapelinternen Gasaustragsammelrohrs 100OT, eine obere Sammelrohrwand 165t des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT ist in vertikale Richtung und niedriger als eine obere Sammelrohrwand 160t des ersten Gasaustragsammelrohres 160OT, und eine obere Sammelrohrwand 170t des dritten Gasaustragsammelrohres 170OT ist in vertikale Richtung niedriger als die obere Sammelrohrwand 165t des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT. Die Brennstoffzelle 10A bildet somit Stufen auf der Gasauslassseite des Oxidationsgasaustragsrohres 174OT, dessen obere Sammelrohrwände in vertikale Richtung hin zur Gasauslassseite niedriger verlaufen. Die Stufen, d. h. die Höhenunterschiede der oberen Sammelrohrwände in vertikale Richtung nach oben, sind bezüglich der Abmessungen einige Millimeter zurückgesetzt (reserved), so dass, die selbst bei einem Versatz beim Stapeln einer jeden der Elementarzellen 100, der Anschlussplatte 160F, der Isolierplatte 165F und der Endplatte 170F kommt im Toleranzbereich liegen.
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Die Brennstoffzelle 10A dieser Ausführungsform zwingt das ausgetragene Abgas, das im ersten Gasaustragsammelrohr 160OT strömt, zur Kollision mit der oberen Sammelrohrwand 160t des ersten Gasaustauschsammelrohres 160OT. Das in das zweite Gasaustragsammelrohr 165OT geströmte Gas wird dann zur Kollision mit der oberen Sammelrohrwand 165t des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT gezwungen, und in ähnlicher Weise wird das in das dritte Gasaustragsammelrohr 165OT geströmte Gas zur Kollision mit der oberen Sammelrohrwand 170t des dritten Gasaustragsammelrohres 170OT gezwungen. Durch derartige Gaskollisionen fließt zumindest ein Teil des ausgetragenen Gases in Richtung zur unteren Sammelrohrwand 160b, die in vertikale Richtung unter dem ersten Gasaustragsammelrohr 160t liegt, zur unteren Sammelrohrwand 165b, die in vertikale Richtung unter dem zweiten Gasaustragsammelrohr 165OT liegt und zur unteren Sammelrohrwand 170b, die in vertikale Richtung unter dem dritten Gasaustragsammelrohr 170OT liegt. In anderen Worten: bezüglich der Anschlussplatte 160F nach unten gerichtete Strömungen werden auf der Auslassseite erzeugt. Daher steigt gemäß der Brennstoffzelle 10 dieser Ausführungsform die Austragungseffizienz des erzeugten Wassers HO, das mit der Gasströmung fließt, weiter an, und die Restfeuchtigkeit im Oxidationsgasaustragsammelrohr 174OT kann mit hoher Effektivität verringert werden. Es sei angemerkt, dass bei der zweiten Ausführungsform die Höhendifferenzen der oberen Wände zwischen den jeweiligen Platten kleiner sind als die Höhendifferenzen der unteren Wände. Als Ergebnis ist der Strömungspfadquerschnittsbereich des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT in der Isolierplatte 165F größer als der Strömungspfadquerschnittsbereich des ersten Gasaustragsammelrohres 160OT in der Anschlussplatte 160F, und der Strömungspfadquerschnittsbereich des dritten Gasaustragsammelrohres 170OT in der Endplatte 170F ist größer als der Strömungspfadquerschnittsbereich des zweiten Gasaustragsammelrohres 165OT in der Isolierplatte 165F. Daher wird, selbst wenn erzeugtes Wasser HO an den Stufen zurückbleibt und gefriert, der Strömungspfadquerschnittsbereich einer jeden Platte vollständig gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen ausgeführt werden. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsform, die den technischen Merkmal eines jeden Aspekts, der in der „Kurzfassung der Erfindung” genannt wurde, in geeigneter Weise ersetzt und/oder kombiniert werden, um eine oder alle der vorstehend beschriebenen Aufgaben zu lösen, oder um einige oder alle der vorstehend beschriebenen Effekte zu erzielen. Die technischen Merkmale können in geeigneter Weise weggelassen werden, sofern sie in der Beschreibung nicht als wesentlich benannt waren. Beispielsweise kann bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Höhe der unteren Sammelrohrwand 170b der Endplatte 170F die gleiche Höhe wie die der unteren Sammelrohrwand 165b der Isolierplatte 165F sein. Das gleiche gilt für die Höhe der oberen Sammelrohrwände der Platten 170F und 165F der zweiten Ausführungsform. Darüber hinaus können Seitenwände in X-Richtung der Sammelrohre der Platten räumliche Beziehungen haben, wonach die Seitenwände in X-Richtung ausgerichtet oder versetzt sind, so lange die Strömungspfadquerschnittsbereiche gewährleistet werden können.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die vorstehend beschriebenen Höhendifferenzen in den unteren Sammelrohrwänden des Oxidationsgasaustragsammelrohres 174OT ausgebildet. Gleichwohl können die Höhendifferenzen auch in den unteren Sammelrohrwänden des Brenngasaustragsammelrohres 172OT durch die Anschlussplatte 160F, die Isolierplatte 165F und die Endplatte 170F auf der Gasauslassseite ausgestaltet sein.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Isolierplatte 165F aus Harz zwischen der Endplatte 160F und der Endplatte 170F angeordnet, wobei die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Falls die Endplatte 170F beispielsweise aus einem isolierendem Harz besteht, kann die Endplatte 170F anstelle der Isolierplatte 165F die Isolierung erzielen, so dass die Isolierplatte 165F weggelassen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-209749 [0001]
- JP 2009-158338 A [0003, 0004]
