DE102015118896A1

DE102015118896A1 - Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015118896A1
Application number: DE102015118896.1A
Authority: DE
Inventors: Makoto Takeyama; Tateki Takayama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: US10511045B2; CA2909928C; US20160133984A1; CA2909928A1; DE102015118896B4; JP2016095920A; KR20160056798A; KR101846055B1; CN105591146B; CN105591146A; JP6098615B2

Abstract

Eine Brennstoffzelle beinhaltet einen gestapelten Körper, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, eine Endplatte, die an mindestens einem Ende des gestapelten Körpers in Stapelrichtung angeordnet ist, ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung beinhaltet und den gestapelten Körper aufnimmt, wobei die Öffnung eine im Wesentlichen polygonale Außenumfangsform mit einer Vielzahl von Ecken aufweist, und eine Vielzahl von Verbindungselementarten mit unterschiedlichen Belastungswiderständen, die die Endplatte, die die Öffnung des Brennstoffzellensystems verschließt, an dem Brennstoffzellengehäuse fixieren. Ein Verbindungselement aus der Vielzahl von Verbindungselementarten, das von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist, ist zumindest an einer der Vielzahl von Ecken der Öffnung angeordnet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-220648 , eingereicht am 12. November 2014, deren Inhalt hiermit durch Bezug aufgenommen wird.
HINTERGRUND GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem.
STAND DER TECHNIK
Es sind Brennstoffzellen bekannt, die Endplatten an beiden Enden eines gestapelten Körpers, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, beinhalten. Eine Anordnung einer derartigen Brennstoffzelle wurde vorgeschlagen, in der der gestapelte Körper in einem Brennstoffzellengehäuse untergebracht ist und eine der Endplatten, die eine Öffnung verschließt, durch eine Schraube an dem Brennstoffzellengehäuse fixiert ist ( JP 2013-228192 A ).
In der Brennstoffzelle, die ihre gestapelte Struktur durch ein Stapeln von Einheitszellen erhält, wird eine Kompressionskraft in Richtung der Stapelrichtung aufgebracht, um den gestapelten Zustand und eine bevorzugten Kontaktzustand unter den Einheitszellen aufrechtzuerhalten. In der oben beschriebenen Anordnung, in der die Endplatte durch eine Schraube an dem Brennstoffzellengehäuse fixiert ist, wird normalerweise eine Schraube mit einem geringen Schaftdurchmesser (Nenndurchmesser) verwendet, um eine hohe Raumeffizienz zu erreichen. Die Kompressionskraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, wird durch die Schraube, die die Endplatte an dem Brennstoffzellengehäuse fixiert, aufrechterhalten. Daher kann, wenn eine Schraube mit kleinem Schaftdurchmesser verwendet wird, ein Schaft der Schraube als Reaktion auf die Kompressionskraft verlängert werden (plastische Deformation). Wenn der Schaft der Schraube verlängert wird, kann eine Lücke zwischen der Endplatte und dem gestapelten Körper entstehen und entsprechend kann der Kompressionszustand des gestapelten Körpers aufhören zu bestehen. Als ein Ergebnis kann die Kompressionskraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, verringert sein. Daher wird eine Technik eingefordert, die die Verringerung der Kompressionskraft, die auf einen gestapelten Körper in einer Brennstoffzelle, die ihre gestapelte Struktur durch Stapeln von Einheitszellen erhält, aufgebracht wird, verhindert.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um zumindest teilweise das oben beschriebene Problem zu lösen und kann wie die folgenden Aspekte umgesetzt werden.

(1) Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Brennstoffzelle zur Verfügung. Die Brennstoffzelle beinhaltet einen gestapelten Körper, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, eine Endplatte, die an mindestens einem Ende des gestapelten Körpers in Stapelrichtung angeordnet ist, ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung beinhaltet, die eine im Wesentlichen polygonale Außenumfangsform mit einer Vielzahl von Ecken aufweist, wobei das Brennstoffzellengehäuse den gestapelten Körper aufnimmt, und eine Vielzahl von Verbindungselementarten mit unterschiedlichen Belastungswiderständen, die die Endplatte, die die Öffnung des Brennstoffzellensystems verschließt, an dem Brennstoffzellengehäuse fixieren. Ein Verbindungselement aus der Vielzahl von Verbindungselementarten, das von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist, ist zumindest an einer der Vielzahl von Ecken der Öffnung angeordnet.

In der Brennstoffzelle gemäß diesem Aspekt ist das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand an der Ecke der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses angeordnet. Da die Ecke der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses eine hohe Steifigkeit besitzt, wirkt eine große Kraft (im Weiteren auch als axiale Kraft bezeichnet) auf das in der Ecke angeordnete Verbindungselement in eine axiale Richtung des Verbindungselements gegen die auf den gestapelten Körper aufgebrachte Kompressionskraft. Da das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand an der Ecke der Öffnung des Brennstoffzellengehäuse angeordnet ist, wird die Deformation (Verlängerung) des Verbindungselements in die axiale Richtung verhindert, auch wenn eine große axiale Kraft auf das Verbindungselement wirkt, verglichen mit einem Fall, in dem ein Verbindungselement von einer Art mit einem geringen Belastungswiderstand dort angeordnet ist. Daher wird das Auftreten einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper aufgebrachten Kompressionskraft kann verhindert werden. Verbindungselemente aus demselben Material bieten mit größerem Schaftdurchmesser einen höheren Belastungswiderstand. Aus diesem Grund kann durch Anordnen eines Verbindungselements mit einem hohen Belastungswiderstand an einer Stelle, wo eine große axiale Kraft auf das Verbindungselement wirkt, und durch Anordnen eines Verbindungselements mit einem geringeren Belastungswiderstand (als der des Verbindungselements mit hohen Belastungswiderstand) an den anderen Stellen wirkungsvoll unter Verwendung eines geringen Raums zur Anordnung der Verbindungselemente die Verbindungsfestigkeit zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse sichergestellt werden und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper aufgebrachte Kompressionskraft verhindert werden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Arten von Verbindungselementen mit unterschiedlichen Belastungswiderständen, die den gleichen Schaftdurchmesser aufweisen, aber unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Festigkeiten besitzen, kann der Raum zur Anordnung der Verbindungselemente weiter verringert werden.

(2) In der Brennstoffzelle gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann die Ecke, wo das Befestigungselement der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand angeordnet ist, nahe am gestapelten Körper sein. In der Endplatte, die an einem Ende des gestapelten Körpers angeordnet ist, wirkt eine große Reaktionskraft gegen die auf den gestapelten Körper wirkende Kompressionskraft auf eine Stelle nahe am gestapelten Körper. Daher wirkt eine größere axiale Kraft auf die in der Ecke nahe am gestapelten Körper angeordnete Schraube unter den an den Ecken der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses angeordneten Schrauben. Aus diesem Grund kann durch das Anordnen des Befestigungselements mit dem hohen Belastungswiderstand in der Ecke nahe am gestapelten Körper (eine Stelle, an der eine hohe axiale Kraft wirkt) die Reaktionskraft, die auf die Endplatte wirkt, wirkungsvoll reduziert werden, das Entstehen einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse wird weiter verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper wirkende Kompressionskraft kann weiter verhindert werden.
(3) In der Brennstoffzelle gemäß des oben beschriebenen Aspekts kann die Vielzahl der Arten von Verbindungselementen ein Schraube mit einem Nenndurchmesser von M6 und eine Schraube mit einem Nenndurchmesser von M8 umfassen und das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand kann die Schraube mit dem Nenndurchmesser von M8 sein. Mit dieser Gestaltung kann wirkungsvoll unter Verwendung eines geringen Raums zur Anordnung der Verbindungselemente die Befestigungsstärke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse gewährleistet und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper aufgebrachte Kompressionskraft verhindert werden. Die Formulierung „ein Nenndurchmesser von M ...” in der Beschreibung entspricht der Größe des Außendurchmessers einer Schraube mit Außengewinde entsprechend dem „ISO (International Organization for Standardization) metrischen Gewinde”. Zum Beispiel bedeutet „ein Nenndurchmesser von M6”, dass die Schraube mit Außengewinde einen Außendurchmesser von etwa 6 mm besitzt.
(4) In der Brennstoffzelle gemäß des oben beschriebenen Aspekts kann das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in einer Vielzahl vorhanden sein und eine gerade Linie als Verbindung zwischen axialen Mittelpunkten von an zwei Ecken angeordneten Verbindungselementen von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand kann eine gestapelte Oberfläche, auf der die Einheitszellen gestapelt sind, lateral kreuzen. Das Auftreten einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse wird an einer Stelle verhindert, die mit Verbindungselementen mit einem hohen Belastungswiderstand verbunden ist. Daher wird durch die Anordnung der Verbindungselement mit dem hohen Belastungswiderstand derart, dass eine geraden Linie als Verbindung zwischen den axialen Mittelpunkten der zwei Verbindungselemente mit hohem Belastungswiderstand die gestapelte Oberfläche der Einheitszellen lateral kreuzt, das Auftreten einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse wird weiter verhindert, im Vergleich zu einem Fall, in dem die gerade Linie als Verbindung zwischen den axialen Mittelpunkten der zwei Verbindungselemente mit hohem Belastungswiderstand die gestapelte Oberfläche der Einheitszellen nicht lateral kreuzt.
(5) Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle gemäß dem oben beschriebenen Aspekt, eine Hilfsmaschine, die die Brennstoffzelle betreibt, und eine Hilfsmaschinenabdeckung, die die Hilfsmaschine aufnimmt und an der Endplatte fixiert ist. Das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung angeordnet. Durch das Brennstoffzellensystem gemäß diesen Aspekts sind zumindest zwei Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand derart innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung angeordnet, dass die gerade Linie als Verbindung zwischen den axialen Mittelpunkten der Verbindungselemente die gestapelte Oberfläche der Einheitszellen lateral kreuzt. Daher wird, sogar wenn die außerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung angeordneten Verbindungselemente aus Versehen von einen Benutzer entfernet werden, der Verbindungszustand der Endplatte und des Brennstoffzellengehäuses durch die Verbindungselemente von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand aufrechterhalten und ein Ausfall des Kompressionszustand des gestapelten Körpers ist weniger wahrscheinlich.
(6) Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Brennstoffzelle zur Verfügung. Diese Brennstoffzelle beinhaltet einen gestapelten Körper, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist, eine Endplatte, die an mindestens einem Ende des gestapelten Körpers in Stapelrichtung angeordnet ist, ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung beinhaltet und das den gestapelten Körper aufnimmt, und eine Vielzahl von Verbindungselementarten mit unterschiedlichem Belastungswiderständen, die die Endplatte, die die Öffnung des Brennstoffzellensystems verschließt, an dem Brennstoffzellengehäuse fixieren. Die Öffnung des Brennstoffzellengehäuses beinhaltet zumindest einen hochsteifen Bereich mit einer höheren Steifigkeit als andere Bereiche der Öffnung. Ein Verbindungselement aus der Vielzahl von Verbindungselementarten, der von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist, ist in dem hochsteifen Bereich der Öffnung angeordnet.

In dieser Brennstoffzelle ist das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in dem hochsteifen Bereich der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses angeordnet. Eine große axiale Kraft wirkt auf das in dem hochsteifen Bereich der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses angeordnete Verbindungselement in eine axiale Richtung des Verbindungselements gegen die auf den gestapelten Körper aufgebrachte Kompressionskraft. Da das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in dem hochsteifen Bereich der Öffnung des Brennstoffzellengehäuse angeordnet ist, wird die Deformation (Verlängerung) des Verbindungselements in die axiale Richtung verhindert, auch wenn eine große axiale Kraft auf das Verbindungselement wirkt, verglichen mit einem Fall, in dem ein Verbindungselement von einer Art mit einem geringen Belastungswiderstand dort angeordnet ist. Daher wird das Auftreten einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper aufgebrachten Kompressionskraft kann verhindert werden. Verbindungselemente aus demselben Material bieten mit größerem Schaftdurchmesser einen höheren Belastungswiderstand. Aus diesem Grund kann durch Anordnen eines Verbindungselements mit einem hohen Belastungswiderstand an einer Stelle, wo eine große axiale Kraft auf das Verbindungselement wirkt, und durch Anordnen eines Verbindungselements mit einem geringeren Belastungswiderstand (als der des Verbindungselements mit hohen Belastungswiderstand) an den anderen Stellen wirkungsvoll unter Verwendung eines geringen Raums zur Anordnung der Verbindungselemente die Verbindungsfestigkeit zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse sichergestellt werden und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper aufgebrachte Kompressionskraft verhindert werden.

(7) In der Brennstoffzelle gemäß des oben beschriebenen Aspekts kann, wenn die Öffnung eine Vielzahl von hochsteifen Bereichen aufweist, das Befestigungselement der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in dem hochsteifen Bereich, der nahe am gestapelten Körper ist, angeordnet sein. In der Endplatte, die an einem Ende des gestapelten Körpers angeordnet ist, wirkt eine große Reaktionskraft gegen die auf den gestapelten Körper wirkende Kompressionskraft auf eine Stelle nahe am gestapelten Körper. Daher wirkt eine größere axiale Kraft auf die in dem hochsteifen Bereich nahe am gestapelten Körper angeordnete Schraube unter den in dem hochsteifen Bereich der Öffnung des Brennstoffzellengehäuses angeordneten Schrauben. Aus diesem Grund kann durch das Anordnen des Befestigungselements mit dem hohen Belastungswiderstand in dem hochsteifen Bereich nahe am gestapelten Körper (eine Stelle, an der eine hohe axiale Kraft wirkt) die Reaktionskraft, die auf die Endplatte wirkt, wirkungsvoll reduziert werden, das Entstehen einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse wird weiter verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper wirkende Kompressionskraft kann weiter verhindert werden.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen verwirklicht werden und kann zum Beispiel eingesetzt sein als ein mobiles Objekt, in das ein Brennstoffzellensystem und dergleichen montiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Zeichnung, die eine schematische Struktur eines Brennstoffzellensystems als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die eine schematische Struktur eines Teils des Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
3 ist eine Draufsicht, die eine schematische Struktur eines Brennstoffzellengehäuses veranschaulicht.
4 ist eine Draufsicht, die eine schematische Struktur einer frontseitigen Endplatte und eine Anordnung von Schrauben veranschaulicht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
A. Ausführungsform:
A1. Struktur des Brennstoffzellensystems:
1 ist eine Zeichnung, die eine schematische Struktur eines Brennstoffzellensystems als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Brennstoffzelle 200, ein Wasserstoffzufuhr- und -ablasssystem 30, das Wasserstoff als Brenngas zuführt und abführt, ein Luftzufuhr- und ablasssystem 40, das Luft als Oxidationsgas zuführt und abführt, ein Kühlsystem 50, das die Brennstoffzelle 200 kühlt, und eine Steuerung 60, die das Brennstoffzellensystem 10 steuert.
Die Brennstoffzelle 200 ist eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle, die relativ klein ist und hocheffizient Leistung erzeugt. Die Brennstoffzelle 200 erhält elektromotorische Kraft durch die elektrochemische Reaktion zwischen reinem Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff in der Luft als Oxidationsgas an jeder Elektrode. Die Brennstoffzelle 200 besitzt eine gestapelte Struktur, die durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen (nicht dargestellt) erreicht wird. Die Anzahl der gestapelten Zellen kann entsprechend einer gewünschten Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 200 festgelegt werden.
In dem Wasserstoffzufuhr- und -ablasssystem 30 wird Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 31, der Hochdruckwasserstoff speichert, abgelassen und der Wasserstoff wird mit einer durch einen Injektor 32 gesteuerten Flussrate einer Anode der Brennstoffzelle 200 durch eine Leitung 33 zugeführt. Anodenabgas wird in eine Leitung 34 eingeleitet, Wasser wird vom Anodenabgas in einem Gas-Flüssigkeits-Separator (nicht dargestellt) abgeschieden und dann wird es zur Leitung 33 über die Leitung 37 zurückgeführt. Das in dem Gas-Flüssigkeits-Separator von dem Anodenabgas abgeschiedene Wasser wird über eine Leitung 35 in die Atmosphäre abgelassen. Ein Sperrventil 39 ist in der Leitung 35 vorgesehen und das Wasser, das im Anodenabgas war, wird abgelassen, wenn das Sperrventil 39 geöffnet wird. Eine Wasserstoffpumpe 140 ist in der Leitung 37 vorgesehen und passt eine Zirkulationsflussrate des oben beschriebenen Wasserstoffs im Anodenabgas an.
Im Luftzufuhr- und ablasssystem 40 wird verdichtete Luft, die durch Verdichtung in einem Luftkompressor 44 erhalten wird, einer Kathode der Brennstoffzelle 200 durch die Leitung 41 zugeführt. Kathodenabgas wird über die Leitung 42 in die Atmosphäre abgelassen. Ein Luftmassenmesser 43 ist in einem Bereich der Leitung 41, der stromaufwärts vom Luftkompressor 44 gelegen ist, angeordnet und misst den Betrag an Außenluft, die in den Luftkompressor 44 eintritt. Ein Betrag an Luft, der durch den Luftkompressor 44 zur Verfügung gestellt wird, wird basierend auf dem durch den Luftmassenmesser 43 gemessen Wert gesteuert. Ein Druckmesser (nicht dargestellt) und ein Druckregelventil 46 sind in der Leitung 42 vorgesehen. Ein Öffnungsgrad des Druckregelventils 46 wird basierend auf einem vom Druckmesser erhaltenen gemessenen Wert des Kathodenabgasdrucks angepasst.
Das Kühlsystem 50 beinhaltet hauptsächlich eine Leitung 51, eine Kühlwasserpumpe 53 und einen Kühler 54. Die Kühlwasserpumpe 53 veranlasst das Kühlwasser in die Leitung 51 zu fließen, um in der Brennstoffzelle 200 zu zirkulieren und so die Brennstoffzelle 200 zu kühlen. Dann wird das sich daraus ergebende Wasser durch den Kühler 54 gekühlt und wieder der Brennstoffzelle 200 geführt.
Die Steuerung 60 ist als Mikrocomputer, der eine zentrale Recheneinheit und einen Hauptspeicher beinhaltet. Die Steuerung 60 empfangt von einer externen Last 84 eine Anforderung Leistung auszugeben. Die Steuerung 60 veranlasst die Brennstoffzelle 200 durch die Steuerung der oben beschriebenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 und einer Leistungssteuerungseinheit (PCU) 82 Leistung entsprechend der Anforderung zu erzeugen. Die Steuerung 60 kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten einen Druckmesser, einen Temperaturmesser, einen Strommesser, einen Spannungsmesser und ähnliches enthalten.
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die eine schematische Struktur eines Teils des Brennstoffzellensystems veranschaulicht. Wie in der Figur dargestellt, beinhaltet das Brennstoffzellensystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Brennstoffzelle 200, eine Wasserstoffpumpe 140, drei Spannwellen 131, 132 und 133 (gemeinsam auch Spannwelle 130 genannt), ein Brennstoffzellengehäuse 120 und eine Hilfsmaschinenabdeckung 150. Im Folgenden entsprechen eine positive Z-Achsen-Richtung, eine negative Z-Achsen-Richtung, eine positive Y-Achsen-Richtung, eine negative Y-Achsen-Richtung der Vorne-Richtung, der Hinten-Richtung, der Oben-Richtung bzw. der Unten-Richtung. Die Wasserstoffpumpe 140 der vorliegenden Ausführungsform entspricht einer Hilfsmaschine in den Ansprüchen. Die Brennstoffzelle 200 und das Brennstoffzellengehäuse 120 der vorliegenden Ausführungsform entsprechen einer Brennstoffzelle in den Ansprüchen.
Die Brennstoffzelle 200 hat die folgende gestapelte Struktur. Genauer werden ein Stromabnehmer 160F, eine frontseitige Endplatte 170F, ein gestapelter Körper 110, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 100 in eine Z-Richtung (im Folgenden auch als „Stapelrichtung” bezeichnet) erhalten wird, ein Stromabnehmer 160E, eine Isolationsplatte 165E und eine rückseitige Endplatte 170E in dieser Reihenfolge von der Frontseite zur Rückseite aufeinandergestapelt. Im Folgenden wird ein Teil, das nicht die frontseitige Endplatte 170F beinhaltet, aber die in dieser Reihenfolge gestapelten Elemente Stromabnehmer 160F, gestapelter Körper 110, Stromabnehmer 160E, Isolationsplatte 165E und rückseitige Endplatte 170E beinhaltet auch als Brennstoffzellenkörper 115 bezeichnet. Die Stromabnehmer 160F und 160E werden gemeinsam auch als Stromabnehmer 160 bezeichnet, wenn nicht zwischen beiden unterschieden werden muss. Die frontseitige Endplatte 170F in diesem Ausführungsbeispiel entspricht einer Endplatte in den Ansprüchen.
Jede der Einheitszellen 100 beinhaltet einen anodenseitigen Separator, einen kathodenseitigen Separator und eine in ein Dichtelement integrierte Membranelektrodeneinheit (MEA, auch als Membranelektrode bezeichnet), die alle nicht dargestellt sind. Ein Brenngaszufuhrloch, ein Anodenabgasabfuhrloch, sechs Oxidationsgaszuführlöcher, sieben Kathodenabgasabfuhrlöcher, drei Kühlwasserzufuhrlöcher und drei Kühlwasserabfuhrlöcher sind am Umfang der Einheitszelle 100 gebildet. Die Zufuhr- und Abfuhrlöcher werden im Folgenden gemeinsam auch als „Zufuhr- und Abfuhrloch” bezeichnet. Die Zufuhr- und Abfuhrlöcher stehen mit weiter unten beschriebenen Zufuhr- und Abfuhrlöcher des Stromabnehmers 160F und der frontseitigen Endplatte 170F in Verbindung. Wenn die Brennstoffzelle 200 durch Stapeln der Vielzahl von Einheitszellen 100 gebildet wird, werden durch die Zufuhr- und Abfuhrlöcher Sammelrohre gebildet. Durch einige dieser Sammelrohre werden Wasserstoff als Brenngas, Luft als Oxidationsgas und Kühlwasser zu jeder der Einheitszellen 100 geliefert. Durch die anderen Sammelrohre werden das Anodenabgas, das Kathodenabgas und das Kühlwasser von jeder der Einheitszellen 100 abgeleitet. Eine nicht dargestellte Dichteinheit ist um den Umfang eines jeden Zufuhr- und Abfuhrlochs ausgebildet. Die Dichteinheit stellt eine Abdichtung der Sammelrohre zwischen den Separatoren und dem Separator und den Stromabnehmer 160 sicher, wenn die Einheitszellen 100 gestapelt werden.
Der Stromabnehmer 160F und der Stromabnehmer 160E am frontseitigen bzw. rückseitigen Ende sammeln die von den Einheitszellen 100 erzeugte Leistung und leiten die gesammelte Leistung über das Stromsammelterminal 161 nach außen. Der Stromabnehmer 160F an der Vorderseite beinhaltet an dessen Umfangsrand Zufuhr- und Abfuhrlöcher ähnlich zu denen der Einheitszellen 100. Der Stromabnehmer 160E an der Rückseite weist keine Zufuhr- und Abfuhrlöcher auf. Die Isolationsplatte 165E ist eine isolierende Harzplatte und die rückseitige Endplatte 170E ist eine Metallplatte aus Aluminium. Die Isolationsplatte 165E und die rückseitige Endplatte 170E haben wie der Stromabnehmer 160E keine Zufuhr- und Abfuhrlöcher, die den Zufuhr- und Abfuhrlöcher der Einheitszelle 100 entsprechen. Dies ist darin begründet, dass die Brennstoffzelle die Reaktionsgase (Wasserstoff, Luft) und das Kühlwasser zu jeder der Einheitszellen 100 über die frontseitige Endplatte 170F von der Vorderseite durch Zufuhrsammelrohre zuführt und das Abgas und das verbrauchte Wasser (Kühlwasser) über die frontseitige Endplatte 170F durch Abfuhrsammelrohre abführt. Allerdings soll dies nicht im einschränkenden Sinn verstanden werden. Zum Beispiel können das Reaktionsgas und das Kühlwasser durch die frontseitige Endplatte 170F zugeführt werden und das Abgas und das verbrauchte Wasser (Kühlwasser) können durch die rückseitige Endplatte 170E nach außen abgeführt werden.
Wie in der Figur dargestellt ist, besitzt das Brennstoffzellengehäuse 120 eine offene Frontseite und eine Rückseite, die durch eine Gehäuseendfläche (nicht dargestellt) verschlossen ist. Der Brennstoffzellenkörper 115 ist im Brennstoffzellengehäuse 120 untergebracht und die frontseitige Endplatte 170F, die die Öffnung auf der Frontseite des Brennstoffzellengehäuses 120 verschließt, ist mit einer Schraube fixiert. In diesem Zustand werden die frontseitige Endplatte 170F, der Stromabnehmer 160F, der gestapelte Körper 110, der Stromabnehmer 160E, die Isolationsplatte 165E und die rückseitige Endplatte 170E in der angegebenen Reihenfolge gestapelt, um die Brennstoffzelle 200 zu bilden.
Die Spannwelle 130 ist an der Unterseite des Brennstoffzellenkörpers 115 (auf der Seite in negativer Y-Richtung in 2) angeordnet und empfängt eine Kraft des Brennstoffzellenkörpers 115. Die Spannwelle 130 hat eine mit der frontseitigen Endplatte 170F verbundene Vorderseite und eine mit der Gehäuseendfläche verbundene Rückseite. Das Brennstoffzellengehäuse 120 hat eine offene Unterseite und wird durch einen Gehäusedeckel verschlossen (nicht abgebildet), wenn der Brennstoffzellenkörper 115 darin eingebaut ist.
Ein Durchgangsloch zum Pressen (nicht dargestellt) ist auf der Gehäuseendfläche an der Rückseite des Brennstoffzellengehäuses 120 ausgebildet. In einem Zustand, in dem der Brennstoffzellenkörper 115 in das Brennstoffzellengehäuse 120 eingebaut ist und die frontseitige Endplatte 170F am Brennstoffzellengehäuse 120 befestigt ist, wird von außen durch das Durchgangsloch zum Pressen in Stapelrichtung der Brennstoffzellen 200 durch eine Presswelle (nicht dargestellt) ein Presskraft auf die rückseitige Endplatte 170E aufgebracht und die rückseitige Endplatte 170E wird während des Pressens durch eine belastungsangepasste Schraube (nicht dargestellt) fixiert. Dadurch wird eine Presskraft (Kompressionskraft) in Stapelrichtung auf den gestapelten Körper 110 aufgebracht. Die auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachte Kompressionskraft wird durch eine Schraube (später beschrieben), die die frontseitige Endplatte 170F mit dem Brennstoffzellengehäuse 120 verbindet, aufrechterhalten. Daher wird der gestapelte Zustand der Komponenten der Brennstoffzelle 200 und ein vorteilhafter Kontaktzustand zwischen den Komponenten aufrechterhalten.
Wie oben beschrieben, stellt die Wasserstoffpumpe 140 die Zirkulationsflussrate des Wasserstoffs im von der Brennstoffzelle 200 abgeführten Anodenabgas ein und liefert den resultierenden Wasserstoff zur Brennstoffzelle 200. Die Wasserstoffpumpe 140 ist wie in der Figur gezeigt an der frontseitigen Endplatte 170F fixiert.
Die Hilfsmaschinenabdeckung 150 hat eine Öffnung auf der Rückseite und ist derart an der frontseitigen Endplatte 170F fixiert, dass die Öffnung auf der Rückseite in dem Zustand, in dem die Wasserstoffpumpe 140 eingebaut ist, durch die frontseitige Endplatte 170F verschlossen wird. Die Hilfsmaschinenabdeckung 150, in die die Wasserstoffpumpe 140 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingebaut ist, kann ferner andere Hilfsmaschinen enthalten, wie den Luftkompressor 44 und die Kühlwasserpumpe 53. Die Wasserstoffpumpe 140, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel an der frontseitigen Endplatte 170F fixiert ist, kann an der Hilfsmaschinenabdeckung 150 fixiert sein.
A2. Struktur des Brennstoffzellengehäuses:
3 ist eine Draufsicht, die eine schematische Struktur eines Brennstoffzellengehäuses veranschaulicht. 3 veranschaulicht eine Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120. Wie in der Figur dargestellt, hat die Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 einen im Wesentlichen achteckigen Außenumfang mit den Ecken 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 und 129. Die Ecken 122 bis 129 der Öffnung 121 sind jeweils eine runde (abgeschrägt) Ecke. Die äußere Form wird aufgrund der abgeschrägten Ecken als „im Wesentlichen” achteckige Form beschrieben. Wie in 2 dargestellt ist die Form der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 im Wesentlichen dieselbe wie die Querschnittsform in einem Bereich nahe der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120. Eine Gewindebohrung 138, in die eine Schraube mit einem Nenndurchmesser von M6 eingeschraubt werden kann, ist an jeder der Ecken 122, 126 und 128 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 ausgebildet. Eine Gewindebohrung 139, in die eine Schraube mit einem Nenndurchmesser von M8 eingeschraubt werden kann, ist an jeder der Ecken 124 und 129 ausgebildet. Sechs Gewindebohrungen 138 (in die Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M6 eingeschraubt sind) sind auf der Oberseite (Seite parallel zur X-Achse) der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 ausgebildet. Vier Gewindebohrungen 138 (in die Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M6 eingeschraubt sind) sind auf der Unterseite (Seite parallel zur X-Achse) der Öffnung 121 ausgebildet.
Das Brennstoffzellengehäuse 120 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht aus Polypropylen (PP). Wie in 2 dargestellt, besitzt das Brennstoffzellengehäuse 120 in xy-Ebene einen Querschnitt mit einer im Wesentlichen polygonen Form mit einer Vielzahl von Ecken, wie im Fall der Öffnung 121. Diese Form ermöglicht eine höhere Steifigkeit in den Ecken als in den anderen Bereichen (Oberfläche). Ähnlich ist die Steifigkeit in der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 in den Ecken 122 bis 129 höher als in anderen Bereichen (Seiten ohne die Ecken). Das Material des Brennstoffzellengehäuses 120 ist nicht auf PP begrenzt und kann eine andere Art von Harz, wie Polyethylen (PE) oder Polystyrol (PS) sein.
A3. Struktur der frontseitigen Endplatte und wie die Schrauben angeordnet sind:
4 ist eine Draufsicht, die eine schematische Struktur einer frontseitigen Endplatte und eine Anordnung von Schrauben gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 4 gibt eine Oberfläche, auf der die Wasserstoffpumpe 140 fixiert ist wieder (im Folgenden auch als Pumpen-Oberfläche bezeichnet). Wie oben beschrieben, ist die frontseitige Endplatte 170F auf der Vorderseite des gestapelten Körpers 110 angeordnet, wobei der Stromabnehmer 160F dazwischen angeordnet ist. 4 zeigt die Positionsbeziehung zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem gestapelten Körper 110 mit einer strichgepunkteten Linie, die einen angeordneten Rahmen W als Position, wo der gestapelte Körper 110 angeordnet ist, repräsentiert. Wie oben beschrieben, sind die Spannwellen 131, 132 und 133 mit der frontseitigen Endplatte 170F verbunden. In 4 zeigen gestrichelte Linien die Positionen an, an denen die Spannwellen 131, 132 und 133 angeordnet sind.
Die frontseitige Endplatte 170F hat eine Form des Außenumfangs, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Form der Öffnung auf der Vorderseite des Brennstoffzellengehäuses 120 (2). Wie in 4 dargestellt, besitzt die frontseitige Endplatte 170F ein Brenngaszufuhrloch 172IN, ein Anodenabgasabfuhrloch 172OT, ein Oxidationsgaszufuhrloch 174IN, ein Kathodenabgasabfuhrloch 174OT, ein Kühlwasserzufuhrloch 176IN und ein Kühlwasserabfuhrloch 176OT, die in Bereichen innerhalb des angeordneten Rahmens W nach des Umfangsrandes ausgebildet sind. Wenn die frontseitige Endplatte 170F auf die Vorderseite des gestapelten Körpers 110, mit dazwischen angeordneten Stromabnehmer 160F, gestapelt wird, stehen die Zufuhr- und Abfuhrlöcher mit den entsprechenden im gestapelten Köper 110 ausgebildeten Sammelrohren in Verbindung.
Die frontseitige Endplatte 170F hat in Bereichen, die den Gewindelöchern 138 des Brennstoffzellengehäuses 120 entsprechen, Gewindelöcher (nicht dargestellt), in die Schrauben 178 mit einem Nenndurchmesser von M6 eingeschraubt sind, sowie in Bereichen, in Bereichen, die den Gewindelöchern 139 entsprechen, Gewindelöcher (nicht dargestellt), in die Schrauben 179 mit einem Nenndurchmesser von M8 eingeschraubt sind. 4 veranschaulicht einen Zustand, in dem die Schrauben 178 mit einem Nenndurchmesser von M6 und die Schrauben 179 mit einem Nenndurchmesser von M8 in die in der frontseitigen Endplatte 170F ausgebildeten korrespondierenden Gewindelöcher eingeschraubt sind. In 4 sind die Ecken 122 bis 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 in einem Zustand, in dem die frontseitige Endplatte 170F an dem Brennstoffzellengehäuse 120 fixiert ist, in Klammern dargestellt.
Die Schrauben 178 und 179 sind jeweils geflanschte Sechskant-Schrauben aus Kohlenstoffstahl. Wie oben beschrieben, besitzt der Schaft der Schraube 178 einen Nenndurchmesser von M6 und der Schaft der Schraube 179 einen Nenndurchmesser von M8. Daher hat die Schraube 179 aufgrund des größeren Schaftdurchmessers als die Schraube 178 einen höheren Belastungswiderstand als die Schraube 178.
Die frontseitige Endplatte 170F ist derart angeordnet, die Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 zu verschließen. Die Vielzahl der Schrauben 178 und 179 sind in die Vielzahl der entsprechenden in der frontseitigen Endplatte 170F und im Brennstoffzellengehäuse 120 ausgebildeten Gewindebohrungen 138 und 139. Die frontseitige Endplatte 170F ist daher durch die Vielzahl von Schrauben 178 und 179 mit dem Brennstoffzellengehäuse 120 verbunden und an diesem fixiert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schrauben 178 und 179 in den Ecken 122, 124 und 129 (in 4 in Klammern) der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet, die nahe am gestapelten Körper 110 sind. Die axiale Kraft, die auf die an der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordneten Schrauben wirkt, wird durch die Reaktion, die gegen die auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachte Kompressionskraft auf die frontseitige Endplatte 170F wirkt, erzeugt. Daher wird eine größere axiale Kraft auf die nahe am gestapelten Körper 110 angeordneten Schrauben aufgebracht als auf diejenigen Schrauben, die weiter entfernt vom gestapelten Körper 110 angeordnet sind. Des Weiteren wird eine höhere axiale Kraft auf Schrauben aufgebracht, die in einem Bereich höherer Steifigkeit der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sind, wo die Gewindebohrungen, in denen die Schraubenmuttern geformt sind, angeordnet sind, als auf diejenigen Schrauben, die in einem Bereich geringerer Steifigkeit angeordnet sind. Wie oben beschrieben, besitzt die Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 an den Ecken eine höhere Steifigkeit. Daher wirkt auf diejenigen unter den Schrauben 178 und 179 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120, die nahe an den Ecken der Öffnung 121 und nahe am gestapelten Körper 110 angeordnet sind, eine größere axiale Kraft als auf die anderen Schrauben.
In dieser Beschreibung wird ein Bereich, in dem ein Verhältnis zwischen dem Abstand zur Außenumfangsfläche des gestapelten Körpers 110 zu einer kurzen Seitenlänge H (siehe 4) der Stapeloberfläche (Oberfläche, auf der die Einheitszellen 100 gestapelt sind) des gestapelten Körpers 110 20% oder weniger ist, als ein Bereich nahe zum gestapelten Körper 110 bezeichnet. Wie in 4 dargestellt, sind die Abstände von den axialen Mittelpunkten der Schrauben 178 und 179, die in den entsprechenden Ecken 122, 124, 126, 128 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sind, zu den Seitenflächen des gestapelten Körpers 110 entsprechend als L1, L2, L3, L4 und L5 definiert. Das Verhältnis jedes Abstandes L1, L2 und L5 zu der kurzen Seitenlänge H der gestapelten Oberfläche (xy-Ebene) des gestapelten Körpers 110 ist nicht größer als 20%, während das Verhältnis der Abstände L3 und L4 zur kurzen Seitenlange H größer als 20% ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel empfangen die Schrauben 178 und 179 in den Ecken 122, 124 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 nahe am gestapelten Körper 110 eine größere axiale Kraft als diejenige, die auf die anderen Schrauben 178 wirkt. In der vorliegenden Ausführungsform besitzt jede der Einheitszellen 100 eine im Wesentlichen rechteckige Form, die durch Abschneiden der vier Ecken eines Rechtecks erhalten wird. Hier wird der Abstand zwischen jeder Schraube und dem gestapelten Körper 110 unter Zugrundelegen einer rechteckigen Form der Einheitszellen 100 ohne Abschneiden gemessen. Die Fläche der abgeschnitten Teile ist kleiner als die Fläche der gestapelten Oberfläche (xy-Ebene) der Einheitszellen 100. Des Weiteren besitzt die frontseitige Endplatte 170F eine hohe Steifigkeit, um die auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachte Kompressionskraft aufzunehmen Wird dies alles berücksichtigt, so haben die abgeschnittenen Teile einen begrenzten Effekt auf die axiale Kraft, die entsprechend der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft auf die Schrauben wirkt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schrauben 179 mit einem hohen Belastungswiderstand in den Ecken 124 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet. Wie oben beschrieben, wirkt auf die in den Ecken 124 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordneten Schrauben 179 eine große axiale Kraft, aber aufgrund des hohen Belastungswiderstandes wird eine Verformung (Verlängerung) der Schäfte der Schrauben 179 verhindert. In der vorliegenden Erfindung ist die Spannwelle 130 nahe an einer Unterseite des gestapelten Körpers 110 angeordnet und ist mit einem Ende mit dem Brennstoffzellengehäuse 120 verbunden und mit dem anderen Ende mit der frontseitigen Endplatte 170F verbunden. Daher wird die auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachte Kompressionskraft in einem Bereich nahe zur Unterseite des gestapelten Körpers 110 durch die Spannwelle 130 aufgenommen, sodass keine große axiale Kraft auf die an der Ecke 126 angeordneten Schraube 178 wirkt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Bereiche (Ecken), in denen die Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand angeordnet sind, basierend auf einem Ergebnis einer Simulation der auf jede Schraube wirkende Belastung (axiale Kraft) mit einem Computer-Aided-Engineering (CAE) System bestimmt. Die Ecke 122 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 ist nahe am gestapelten Körper 110. Dort ist aus Platzspargründen eine Schraube 178 angeordnet, da das Ergebnis der Simulation zeigt, dass die Schraube 178 mit einem Nenndurchmesser von M6 die Belastung, die auf die in der Ecke 122 angeordnete Schraube wirkt, widerstehen kann. Eine geringere Anzahl von Schrauben 179 kann den Platzbedarf, wo die Schrauben angeordnet sind, verringern.
Die Hilfsmaschinenabdeckung 150 ist an die Pumpen-Oberfläche 17 der frontseitigen Endplatte 170F fixiert. 4 stellt eine Positionsbeziehung zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und der Hilfsmaschinenabdeckung 150 mit einer zweigepunkt-gestrichelten Linie dar, die einen Bereich, in dem die Hilfsmaschinenabdeckung 150 angeordnet ist darstellt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die in den Ecken 122, 124, 126, 128 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordneten Schrauben 178 und 179 in die Hilfsmaschinenabdeckung 150 eingebaut.
Die frontseitige Endplatte 170F ist eine druckgegossenes Aluminiumteil, welches durch einen Hochdruckgießprozess unter Verwendung von Aluminium hergestellt ist, und besitzt eine mit einem isolierenden Harz beschichteten Oberfläche, die in Kontakt steht mit dem Stromabnehmer 160F. Daher sind, wenn die frontseitige Endplatte 170F angeordnet wird, während diese mit dem Stromabnehmer 160F in Kontakt steht, die frontseitige Endplatte 170F und der Brennstoffzellenkörper 115 voneinander elektrisch isoliert. Titan, Edelstahl, eine Legierung von diesen, eine Aluminiumlegierung und diese oder ähnliches kann anstelle von Aluminium verwendet werden. Des Weiteren kann anstelle des Beschichtungsvorgangs mit dem isolierenden Harz auch eine Isolationsplatte analog zu der Isolationsplatte 165E zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Stromabnehmer 160F vorgesehen sein.
A4. Wirkungen des Ausführungsbeispiels:
In der Brennstoffzelle 200 gemäß des Ausführungsbeispiels ist die frontseitige Endplatte 170F mit den Schrauben 178, die einen Nenndurchmesser von M6 besitzen, und den Schrauben 179, die einen Nenndurchmesser von M8 besitzen, an dem Brennstoffzellengehäuse 120 fixiert. Wie oben beschrieben, wird eine Kompressionskraft in Stapelrichtung auf den gestapelten Körper 110 aufgebracht und eine Reaktion auf die Kompressionskraft wirkt in Stapelrichtung auf die frontseitige Endplatte 170F. Daher wirkt eine Kraft in axiale Richtung auf die Schrauben 178 und 179, die die frontseitige Endplatte 170F an dem Brennstoffzellengehäuse 120 befestigen. Eine große Reaktionskraft gegen die Kompressionskraft wirkt in Bereichen nahe der Kante (angeordnet im Rahmen W in 4) des gestapelten Körpers 110 in xy-Ebene der frontseitigen Endplatte 170F. Die Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 besitzt in den Ecken eine hohe Steifigkeit und daher wirkt eine große axiale Kraft auf die Schrauben 178 und 179. Daher ist die axiale Kraft, die auf die Schrauben 178 und 179 wirkt, in Bereichen der Ecken (Bereich hoher Steifigkeit) der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 nahe am gestapelten Körper 110 größer. In der Brennstoffzelle 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Schrauben 179, die einen höheren Belastungswiderstand als die Schrauben 178 haben, in der Ecke 124 und der Ecke 129 angeordnet, die zwei Ecken des Brennstoffzellengehäuses 120 nahe an der Kante des gestapelten Körpers 110 darstellen. Daher wird, im Vergleich zu einem Fall, in dem die Schrauben 178 dort angeordnet sind, die Verlängerung (Verformung) der Schrauben 179 in Stapelrichtung unterbunden, wobei das Entstehen einer Lücke zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Brennstoffzellengehäuse 120 verhindert wird. Als Ergebnis kann eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft verhindert werden.
Wie oben beschrieben, werden in der Brennstoffzelle 200 die Schrauben 179 mit einem hohen Belastungswiderstand in Bereichen eingesetzt, in denen die Schrauben eine große axiale Kraft ausgesetzt sind und die Schrauben 178 mit einem geringeren Belastungswiderstand werden in anderen Bereichen eingesetzt. Daher wird die Verbindungsstärke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse sichergestellt werden, der bevorzugte Kontaktzustand des gestapelt Körpers 110 kann aufrechterhalten werden und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft kann verhindert werden, wobei der Kompressionszustand des gestapelten Körpers 110 effizient mit einem geringen Platzbedarf zum Anordnen der Befestigungselemente aufrechterhalten wird.
In der Brennstoffzelle 200 kreuzt eine zwischen den zwei Schrauben 179 verbundene gerade Linie lateral die gestapelte Oberfläche des gestapelten Körpers 110. Die Reaktion, die auf die frontseitige Endplatte 170F gegen die auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachte Kompressionskraft wirkt, kann daher gut durch die beiden Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand aufgenommen werden. Des Weiteren kann noch effizienter das Entstehen der Lücke zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Brennstoffzellengehäuse 120 verhindert werden, auch wenn die Schrauben 178 mit geringerem Belastungswiderstand in den anderen Bereichen verwendet werden.
In dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß des Ausführungsbeispiels sind die Schrauben 178 und 179, die in den Ecken 122, 124, 126, 128 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sind, innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150, in die die Wasserstoffpumpe 140 eingebaut ist, angeordnet. Zum Beispiel entfernt ein Benutzer manchmal die Hilfsmaschinenabdeckung 150, um die Hilfsmaschinen, wie die Wasserstoffpumpe 140 zu warten oder für ähnliche Zwecke. Hier sind die Schrauben 178 und 179, die in den Ecken 122, 124, 126, 128 und 129 der Öffnung 121 angeordnet sind, innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150 angeordnet und sind daher von einem versehentlichen Entfernen durch den Benutzer geschützt. In dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind zwei Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150 angeordnet. Daher ist es sogar, wenn die Schrauben 178, die außerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150 angeordnet sind, durch eine Benutzer versehentlich entfernt werden, unwahrscheinlich, dass der Brennstoffzellenkörper 115 aufgrund eines Lösens der frontseitigen Endplatte 170F vom Brennstoffzellengehäuse 120 aus dem Brennstoffzellengehäuse 120 springt.
B. Modifikationen:
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform oder die oben beschriebenen Aspekt beschränkt und kann in verschiedenen Aspekten verwirklicht sein ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die technischen Merkmale des Ausführungsbeispiels, die den technischen Merkmalen eines jeden der in der Zusammenfassung beschriebenen Aspektes entsprechen, ersetzt oder in geeigneter Weise kombiniert werden, um einen Teil oder das gesamte oben beschriebene Problem zu lösen oder einen Teil oder sämtliche oben beschriebenen Wirkungen zu erzielen. Des Weiteren können technische Merkmale, die in der Beschreibung nicht als wesentlich beschrieben sind, bei Bedarf gestrichen werden. Die unten beschriebenen Modifikationen sind beispielsweise durchführbar.

(1) Die Schrauben zum Fixieren der frontseitigen Endplatte 170F an dem Brennstoffzellengehäuse 120 sind nicht auf die im Ausführungsbeispiel exemplarischen geflanschten Sechskantschrauben beschränkt. Zum Beispiel können andere Schrauben, wie zum Beispiel Sechskantschrauben ohne Flansch, eine Schrauben mit einem sechseckigen Loch, Schrauben wie Maschinenschrauben, oder Befestigungselemente ohne Gewinde, wie eine Niete, verwendet werden.
(2) Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Beispiel begrenzt, in dem Schrauben 178 mit einem Nenndurchmesser von M6 und Schrauben 179 mit einem Nenndurchmesser von M8 verwendet werden, sondern es können sämtliche Befestigungselemente von zwei oder mehr Arten mit unterschiedlichen Belastungswiderständen eingesetzt werden. Zum Beispiel können Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M5 und Schrauben von einem Nenndurchmesser von M6 verwendet werden oder Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M8 und Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M10. Die Kombination der Schrauben kann auf geeignete Weise basierend auf der auf die Schrauben wirkenden axialen Kraft, dem Platz an dem die Schrauben angeordnet sind oder ähnlichem festgelegt werden. Werden Schrauben mit einem relativ hohen Belastungswiderstand in Ecken (sehr steife Bereiche) der Öffnung und Schrauben mit einem geringen Belastungswiderstand (mit einem geringen Schaftdurchmesser) in den anderen Bereichen angeordnet, kann eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft verhindert werden, wobei ein geringer Platzbedarf zur Anordnung der Schrauben nötig ist.
(3) Im Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse veranschaulicht, in dem zwei Arten von Schrauben mit unterschiedlichen Schaftdurchmessern verwendet werden. Alternativ können zwei Arten von Schrauben aus unterschiedlichen Materialen verwendet werden, um zwei Arten von Schrauben mit unterschiedlichen Belastungswiderständen zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel können Schrauben aus Edelstahl mit einem Nenndurchmesser von M6 (mit einem höheren Belastungswiderstand als die Schrauben 178) anstelle der Schrauben 179 verwendet werden. Schrauben mit einem Nenndurchmesser von M6, die aus einem Kohlenstoffstahl mit einem höheren Gehalt an Kohlenstoff als der Kohlenstoffstahl der Schrauben 178 hergestellt sind, können anstelle der Schrauben 179 verwendet werden. Schrauben, die durch eine thermische Behandlung des Schaftes der Schrauben 178 zum Erreichen eines höheren Belastungswiderstandes erhalten werden, können anstelle der Schrauben 179 verwendet werden. Daher kann eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft verhindert werden, wobei ein geringer Platzbedarf zur Anordnung der Schrauben nötig ist.
(4) Im Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, in dem zwei Schrauben 179 in den Ecken 124 und 19 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sind, die nahe am gestapelten Körper 110 sind. Dies soll allerdings nicht im einschränkenden Sinn verstanden werden. Die zwei Schrauben 179 können in Ecken der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sein, die nicht nahe am gestapelten Körper 110 sind. Die Ecken der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 sind steifer als die anderen Bereiche (Seiten) und daher wirkt auf die dort angeordneten Schrauben wahrscheinlich eine große axiale Kraft. Durch die Anordnung der Schrauben 179 mit dem hohen Belastungswiderstand in Ecken der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 kann eine Verformung (Verlängerung) der Schäfte der Schrauben wirkungsvoller verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft kann wirkungsvoller verhindert werden als in einem Fall, in dem nur die Schrauben 178 zur Fixierung der frontseitigen Endplatte 170F an dem Brennstoffzellengehäuse 120 verwendet werden. Dennoch sind Schrauben mit einem hohen Belastungswiderstand in bevorzugter Weise in Ecken der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 nahe dem gestapelten Körper 110 angeordnet, wo auf die Schrauben eine größere axiale Kraft wirkt.
(5) Die Anzahl der Schrauben 179 mit einem hohen Belastungswiderstand, die im Ausführungsbeispiel zwei ist, kann zumindest eins sein. Sogar wenn eine einzige Schraube mit hohem Belastungswiderstand in einer Ecke der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet ist, kann eine Verformung (Verlängerung) der Schäfte der Schrauben wirkungsvoller verhindert und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft kann wirkungsvoller verhindert werden als in einem Fall, in dem nur die Schrauben 178 zur Fixierung der frontseitigen Endplatte 170F an dem Brennstoffzellengehäuse 120 verwendet werden. Dennoch sind in bevorzugter Weise zwei oder mehr Schrauben mit hohem Belastungswiderstand derart angeordnet, dass eine gerade Linie, die die axialen Mittelpunkte der Schrauben verbindet, lateral die gestapelte Oberfläche der Einheitszellen 100 wie im Ausführungsbeispiel kreuzt, sodass die auf die frontseitige Endplatte 170F wirkende Reaktion wirkungsvoller reguliert werden kann. Die Anzahl der Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand kann gleich oder größer als drei und kleiner als die Anzahl der Ecken der Öffnung 121 („acht” im Ausführungsbeispiel) des Brennstoffzellengehäuses 120 sein. Durch die Anordnung aller Schrauben 179 in den jeweiligen Ecken kann die Ausbildung einer Lücke zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Brennstoffzellengehäuse 120 verhindert werden und eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 wirkenden Kompressionskraft kann verhindert werden, während eine Raumeffizienz beibehalten wird.
(6) Im Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, in dem die Schrauben 178 und 179, die in den Ecken 122, 124, 126, 128 und 129 der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sind, innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150, in das die Wasserstoffpumpe 140 aufgenommen ist, angeordnet sind. Lediglich zumindest die beiden Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand müssen innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung 150 angeordnet sein. Der fixierte Zustand der frontseitigen Endplatte 170F wird wahrscheinlich auch dann aufrechterhalten, wenn die anderen Schrauben 178 entfernt werden, solange die frontseitige Endplatte 170F an das Brennstoffzellengehäuse 120 durch die beiden Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand fixiert ist. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass der Brennstoffzellenkörper 115 aufgrund des Fehlens des fixierten Zustandes zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Brennstoffzellengehäuse 120 aus dem Brennstoffzellengehäuse 120 herausspringt.
(7) Der Bereich, in dem die Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand angeordnet sind, ist nicht auf die Ecken der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 wie im Ausführungsbeispiel beschränkt. Zum Beispiel können die Schrauben 179 in dicken und daher steifen Bereichen der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sein. Die in steifen Bereichen der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordneten Schrauben empfangen eine große axiale Kraft. Durch das Anordnen der Schrauben mit hohem Belastungswiderstand in steifen Bereichen der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 wird eine Verlängerung (Deformation) der Schrauben in Stapelrichtung verhindert, wobei das Entstehen einer Lücke zwischen der frontseitigen Endplatte 170F und dem Brennstoffzellengehäuse 120 verhindert wird. Als ein Ergebnis kann eine Verringerung der auf den gestapelten Körper 110 aufgebrachten Kompressionskraft verhindert werden. Die Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand sind in bevorzugter Weise in Bereichen der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet, die steif sind und nahe zum gestapelten Körper 110 angeordnet sind. Der steife Bereich dieser Modifikation entspricht dem sehr steifen Bereich in den Ansprüchen.
(8) Im Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, in dem die frontseitige Endplatte 170F mit zwei unterschiedlichen Arten von Schrauben 178 und 179 mit unterschiedlichen Belastungswiderständen an dem Brennstoffzellengehäuse 120 fixiert ist. Alternativ können drei oder mehr Arten von Schrauben mit unterschiedlichen Belastungswiderständen verwendet werden. In einem derartigen Fall können die Schrauben mit dem höchsten Belastungswiderstand in den Ecken oder steifen Bereichen der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sein.
(9) Im Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel beschrieben, in dem die frontseitige Endplatte 170F mit Schrauben an das Brennstoffzellengehäuse 120 fixiert ist. Dies soll jedoch nicht einschränkend verstanden werden. Das Brennstoffzellengehäuse kann auch eine Öffnung auf der Rückseite aufweisen und die rückseitige Endplatte 170E kann an die Öffnung auf der Rückseite mit einer Schraube fixiert sein. In einem derartigen Fall kann die rückseitige Endplatte 170E dieselbe Struktur wie die frontseitige Endplatte 170F besitzen. Daher kann auch bei der rückseitigen Endplatte 170E eine Verformung (Verlängerung) des Schaftes der Schraube verhindert und die Entstehung einer Lücke zwischen der rückseitigen Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse verhindert werden, während die Raumeffizienz beibehalten wird.
(10) Die Form der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 ist nicht auf die des Ausführungsbeispiels beschränkt und kann eine im Wesentlichen dreieckige, rechteckige, fünfeckige oder sechseckige Form sein (inklusive Formen mit abgeschrägten Ecken). Auch in diesem Fall kann durch Anordnen von Schrauben der Art mit hohem Belastungswiderstand in Ecken eine Verformung (Verlängerung) des Schaftes der Schrauben verhindert und das Entstehen einer Lücke zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellengehäuse verhindert werden, während die Raumeffizienz beibehalten wird.
(11) Die Form des Außenumfangs der frontseitigen Endplatte 170F ist nicht auf ein Form, die im Wesentlichen dieselbe ist wie die der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 wie im Ausführungsbeispiel beschränkt und kann eine von vielen Formen sein, die die Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 verschließen können. Sogar wenn die Form des Außenumfangs der Endplatte sich von der der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 unterscheidet, kann die Endplatte nahe an der Öffnung 121 des Brennstoffzellengehäuses 120 angeordnet sein und die Schrauben 179 mit hohem Belastungswiderstand können in Ecken der Öffnung 121 angeordnet sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014-220648 [0001]
JP 2013-228192 A [0003]

Claims

Brennstoffzelle, aufweisend: einen gestapelten Körper, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist; eine Endplatte, die an mindestens einem Ende des gestapelten Körpers in Stapelrichtung angeordnet ist; ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung beinhaltet und den gestapelten Körper aufnimmt, wobei die Öffnung eine im Wesentlichen polygonale Außenumfangsform mit einer Vielzahl von Ecken besitzt; und eine Vielzahl von Verbindungselementarten mit unterschiedlichen Belastungswiderständen, die die Endplatte, die die Öffnung des Brennstoffzellensystems verschließt, an dem Brennstoffzellengehäuse fixieren, wobei ein Verbindungselement aus der Vielzahl von Verbindungselementarten, das von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist, zumindest an einer der Vielzahl von Ecken der Öffnung angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Ecke, wo das Befestigungselement der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand angeordnet ist, nahe am gestapelten Körper angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Verbindungselementarten eine Schraube mit einem Nenndurchmesser von M6 und eine Schraube mit einem Nenndurchmesser von M8 beinhalten, und das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand die Schraube mit einem Nenndurchmesser von M8 ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wobei das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in einer Vielzahl vorhanden ist, und eine die axialen Mittelpunkte der Verbindungselemente von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand, die in zwei der Ecken angeordnet sind, verbindende gerade Linie eine Stapeloberfläche, in der die Einheitszellen gestapelt sind, lateral kreuzt.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 4; eine Hilfsmaschine, die die Brennstoffzelle betreibt; und eine Hilfsmaschinenabdeckung, die die Hilfsmaschine aufnimmt und an der Endplatte fixiert ist, wobei das Verbindungselement von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand innerhalb der Hilfsmaschinenabdeckung angeordnet ist.
Brennstoffzelle, aufweisend: einen gestapelten Körper, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet ist; eine Endplatte, die an mindestens einem Ende des gestapelten Körpers in Stapelrichtung angeordnet ist; ein Brennstoffzellengehäuse, das eine Öffnung beinhaltet und den gestapelten Körper aufnimmt; und eine Vielzahl von Verbindungselementarten mit unterschiedlichen Belastungswiderständen, die die Endplatte, die die Öffnung des Brennstoffzellensystems verschließt, an dem Brennstoffzellengehäuse fixieren, wobei die Öffnung des Brennstoffzellengehäuses zumindest einen hochsteifen Bereich mit einer Steifigkeit höher als die Steifigkeit anderer Bereiche der Öffnung beinhaltet, und ein Verbindungselement aus der Vielzahl von Verbindungselementarten, das von der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand ist, in dem hochsteifen Bereich der Öffnung angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei, wenn die Öffnung eine Vielzahl von hochsteifen Bereichen aufweist, das Befestigungselement der Art mit dem höchsten Belastungswiderstand in dem hochsteifen Bereich, der nahe am gestapelten Körper ist, angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei Vielzahl von Verbindungselementarten Schrauben sind, die aus dem gleichen Material geformt sind und sich voneinander durch einen Außendurchmesser eines Schraubenschaftes unterscheiden.