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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche eine Vielzahl von gestapelten Zellen beinhaltet.
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Eine stromerzeugende Zelle einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle beinhaltet eine Membranelektrodenbauteilgruppe (membrane electrode assembly, MEA) und zwei Trennelemente, die Membranelektrodenbauteilgruppe beidseitig umgebend. Die Membranelektrodenbauteilgruppe hat eine Struktur, in welcher eine Elektrodenmembran durch eine lonenaustauschmembran ausgebildet ist, welche von zwei Elektroden beidseitig umgeben ist. Eines der Trennelemente und die Membranelektrodenbauteilgruppe definieren eine Gasdurchflusspassage zwischen ihnen, in welche Brennstoffgas (zum Beispiel Wasserstoffgas) zugeführt wird. Das andere Trennelement und die Membranelektrodenbauteilgruppe definieren eine weitere Gasdurchflusspassage zwischen ihnen, in welche ein Oxidationsgas (zum Beispiel Luft) zugeführt wird.
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Allgemein hat eine Brennstoffzelle eine Struktur, in welcher eine Vielzahl von stromerzeugenden Zellen gestapelt sind. Innerhalb der Brennstoffzellen ist eine Einlasspassage angeordnet, um das stromerzeugende Gas zu den Gasdurchflusspassagen der einzelnen stromerzeugenden Zellen zu führen, sodass das stromerzeugende Gas in die Gasdurchflusspassagen geführt wird, und eine Auslasspassage ist zum Zusammenführen und Ausleiten des stromerzeugenden Gases, welches durch die Gasdurchflusspassagen geströmt ist, angeordnet.
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In dem veröffentlichten japanischen Dokument mit der Veröffentlichungsnummer
JP 2009-164051 A wird ein Beispiel einer solchen Brennstoffzelle offenbart. Die Brennstoffzelle beinhaltet Endzellen, welche an den jeweiligen Enden in Stapelrichtung der stromerzeugenden Zellen angeordnet sind. Eine Endzelle beinhaltet zum Beispiel eine Platte und zwei Trennelemente, welche die Platte beidseitig umgeben. Die Platte und jedes der zwei Trennelemente definieren eine Nebenstromdurchflusspassage zwischen ihnen, welche die Einlasspassage und die Auslasspassage verbindet, um ein Hindurchströmen des stromerzeugenden Gases zu ermöglichen.
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Die Endzellen, welche eine Struktur zur Stromerzeugung aufweisen, produzieren einen hitzeisolierenden Effekt an den Enden in Stapelrichtung der stromerzeugenden Zellen. Die Endzellen limitieren den Anstieg der Temperatur der stromerzeugenden Zellen an den Enden in Stapelrichtung. Daher wird die Produktion von Wasser, zum Beispiel verursacht durch Kondensation, in den stromerzeugenden Zellen limitiert. Die Schrift
WO 2008/050816 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von gestapelten stromerzeugenden Zellen mit mindestens einer Endzelle, welche an einem Ende in Stapelrichtung der stromerzeugenden Zellen angeordnet ist und einer Einlasspassage.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Zusätzlich zu der Generation von Wasser in den stromerzeugenden Zellen kann Wasser ebenfalls in den Gasdurchflusspassagen, welche stromerzeugendes Gas in die Brennstoffzelle von außerhalb der Brennstoffzelle führen, produziert werden. Wenn Wasser in die Gaszuflusspassage forciert wird, zum Beispiel durch einen Gasfluss in die stromerzeugenden Zellen, und dieses innerhalb der stromerzeugenden Zellen verbleibt, so ist die Menge an zugeführtem Gas zu der Membranelektrodenbauteilgruppe reduziert. Dieses beeinflusst die Stromerzeugungseffizienz negativ.
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Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche den Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen limitiert.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, welche eine Vielzahl von gestapelten stromerzeugenden Zellen beinhaltet und mindestens eine Endzelle aufweist, welche an einem Ende in Stapelrichtung der stromerzeugenden Zelle angeordnet ist. Jede stromerzeugende Zelle beinhaltet eine erste Platte, umfassend eine Membranelektrodenbauteilgruppe, ein erstes Paar Trennelemente, die erste Platte beidseitig umgebend, und eine erste Durchflusspassage, ausgebildet zwischen der ersten Platte und dem ersten Paar Trennelemente, um ein Durchströmen des stromerzeugenden Gases zu ermöglichen. Die Endzelle umfasst eine zweite Platte, ein zweites Paar Trennelemente, welches die zweite Platte beidseitig umgibt, und eine zweite Durchflusspassage, ausgebildet zwischen der zweiten Platte und dem zweiten Paar an Trennelementen, um eine Durchströmung des stromerzeugenden Gases zu ermöglichen. Die Brennstoffzelle umfasst des Weiteren eine Einlasspassage, gebildet aus Durchgangsöffnungen in dem ersten Paar Trennelemente, der ersten Platte, dem zweiten Paar Trennelemente und der zweiten Platte. Die Einlasspassage erstreckt sich in Stapelrichtung und verteilt das stromerzeugende Gas zu der ersten Durchflusspassage und der zweiten Durchflusspassage, sodass das stromerzeugende Gas in die erste Durchflusspassage und die zweite Durchflusspassage strömt. Die Endzellen weisen mindestens eine „erste Struktur“ und eine „zweite Struktur“ auf. In der „ersten Struktur“ hat zumindest eine der Durchgangsöffnungen, welche in einem Trennelement des zweiten Paars Trennelemente ausgebildet ist, welches an einer Seite stromaufwärts in der Gasströmungsrichtung und der Durchgangsöffnung angeordnet ist, welches in der zweiten Platte ausgebildet ist, eine Bodenwand, welche im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der jeweiligen stromerzeugenden Zelle nach unten versetzt ist. In der „zweiten Struktur“ hat mindestens eine der Durchgangsöffnungen, welche in der zweiten Platte und der Durchgangsöffnung ausgebildet ist, welches in einem Trennelement des zweiten Paars Trennelemente ausgebildet ist, welches stromabwärts in Gasströmungsrichtung angeordnet ist, eine Bodenwand, welche im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der jeweiligen stromerzeugenden Zelle nach oben hervor steht.
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In der zuvor beschriebenen Brennstoffzelle kann die Endzelle, welche an einem Ende in Stapelrichtung angeordnet ist, eine Gaszufuhrpassage aufweisen, welche angeschlossen ist, um eine Strömung des stromerzeugenden Gases in die Einlasspassage von außerhalb der Einlasspassage zu ermöglichen, und kann mindestens die „erste Struktur“ und die „zweite Struktur“ aufweisen.
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In der zuvor beschriebenen Brennstoffzelle kann die Endzelle die „zweite Struktur“ aufweisen. Mindestens eine Bodenwand der Durchgangsöffnung, ausgebildet in der zweiten Platte und der Bodenwand der Durchgangsöffnung, ausgebildet in einem Trennelement des zweiten Paars Trennelemente, welches stromabwärts in Gasströmungsrichtung angeordnet ist, kann oberhalb eines maximalen Wasserstands von in die Einlasspassage eintretendem Wasser angeordnet sein.
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In der zuvor beschriebenen Brennstoffzelle kann die zweite Durchflusspassage der Endzelle eine Vielzahl von Zweigpassagen umfassen, welche individuell mit der Einlasspassage verbunden sind. Eine untere Zweigpassage kann einen kleineren Druckverlust haben als eine höhere Zweigpassage.
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In der Endzelle kann ein Endabschnitt einer unteren Zweigpassage, welche zu der Einlasspassage angeordnet ist, ein oberes Ende aufweisen, welches oberhalb eines maximalen Wasserstands von in die Einlasspassage eintretendem Wasser angeordnet ist.
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Weitere Aspekte und vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden durch die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den Figuren beispielhaft dargestellt.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Struktur einer Ausführung einer Brennstoffzelle zeigt.
- 2 ist eine Draufsicht eines ersten Trennelements stromaufwärts einer stromerzeugenden Zelle.
- 3 ist eine Draufsicht, welche die Rahmenplatte der stromerzeugenden Zelle zeigt.
- 4 ist eine Draufsicht, welche das erste Trennelement stromabwärts der stromerzeugenden Zelle zeigt.
- 5 ist eine Draufsicht, welche das zweite Trennelement stromaufwärts einer Endzelle zeigt.
- 6 ist eine Draufsicht, welche eine Rahmenplatte der Endzelle zeigt.
- 7 ist eine Draufsicht, welche ein zweites Trennelement stromabwärts einer Endzelle zeigt.
- 8 ist eine Draufsicht, welche eine Wasserstoffgasauslasspassage einer Zelle und deren nähere Umgebung von außerhalb der Brennstoffzelle zeigt.
- 9 ist eine Querschnittsendansicht einer Brennstoffzelle entlang der Linie 9-9, wie in 8 gezeigt.
- 10 ist eine Draufsicht einer Wasserstoffgaseinlasspassage der Endzelle und deren näherer Umgebung von einer äußeren Seite der Brennstoffzelle.
- 11 ist eine Querschnittsendansicht, welche die Wasserstoffgaseinlasspassage der Brennstoffzelle entlang der Linie 11-11, wie in 10 gezeigt, zeigt.
- 12 ist eine Draufsicht des zweiten Trennelements stromaufwärts und eines Fließzustands des Wasserstoffgases in die stromerzeugende Zelle.
- 13 ist eine Draufsicht des ersten Trennelements stromaufwärts und eines Fließzustands des Wasserstoffgases in die stromerzeugende Zelle.
- 14 ist eine Querschnittsendansicht der Wasserstoffgaseinlasspassage entlang der Stapelrichtung in einem modifizierten Beispiel der Brennstoffzelle.
- 15 ist eine Querschnittsendansicht der Wasserstoffgaseinlasspassage entlang der Stapelrichtung in einem weiteren modifizierten Beispiel der Brennstoffzelle.
- 16 ist eine Querschnittsendansicht der Wasserstoffgaseinlasspassage entlang der Stapelrichtung in einem weiteren modifizierten Beispiel der Brennstoffzelle.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Brennstoffzelle nach einer Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die schematische Struktur der Brennstoffzelle wird nun beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, schließt die Brennstoffzelle eine Vielzahl von gestapelten stromerzeugenden Zellen 10 (330 Zellen in der vorliegenden Ausführungsform) und zwei Endzellen 11 ein, welche die stromerzeugenden Zellen 10 in Stapelrichtung D der stromerzeugenden Zellen 10 umschließen (in seitlicher Richtung in 1).
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Die Brennstoffzelle enthält eine Wasserstoffgaseinlasspassage 12, welche das Wasserstoffgas zu jedem der stromerzeugenden Zellen 10 und zu jeder Endzelle 11 verteilt, sodass das Wasserstoffgas in die stromerzeugenden Zellen 10 und die Endzellen 11 strömt, und eine Lufteinlasspassage 13, welche die Luft zu jedem der stromerzeugenden Zellen 10 und jeder Endzelle 11 verteilt, sodass die Luft in jede der stromerzeugenden Zellen 10 und die Endzellen 11 strömt. Die Brennstoffzelle enthält des Weiteren eine Wasserstoffgasauslasspassage 14, welche das Wasserstoffgas zusammenführt und ausleitet, welches durch die stromerzeugenden Zellen 10 und die Endzellen 11 geströmt ist, und eine Luftauslasspassage 15, welche Luft zusammenführt und ausleitet, welche durch die stromerzeugenden Zellen 10 und die Endzellen 11 geströmt ist. Die Brennstoffzelle beinhaltet des Weiteren eine Kühlmitteleinlasspassage (nicht gezeigt), welche das Einströmen von Kühlmittel in Lücken zwischen benachbarten stromerzeugenden Zellen 10 und zwischen jeder Endzelle 11 und einer benachbarten stromerzeugenden Zelle 10 ermöglicht, und eine Kühlmittelauslasspassage (nicht gezeigt), welche Kühlmittel zusammenführt und ausleitet.
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Ein Stapelverteilerrohr 16 ist an einem der zwei Endzellen 11 (links in 1) befestigt, um die Außenseitenendfläche in der Stapelrichtung D abzudecken. Das Stapelverteilerroher 16 ist mit dem Wasserstoffgasrohr 17, den Luftrohren 18 und den Kühlmittelrohren 19 verbunden, welche Wasserstoffgas, Sauerstoffgas (insbesondere Luft) und Kühlmittel bereitstellen und ausleiten. Innerhalb der Brennstoffzelle wird durch das Stapelverteilerrohr 16 die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12, die Zufuhr von Luft zu der Lufteinlasspassage 13, das Ausleiten des Wasserstoffgases aus der Wasserstoffgasauslasspassage 14, das Ausleiten von Luft aus der Luftauslasspassage 15, die Zufuhr des Kühlmittels zu der Kühlmitteleinlasspassage und das Ausleiten des Kühlmittels aus der Kühlmittelauslasspassage ermöglicht. Ein Luftbefeuchter 20 ist in einem der Wasserstoffgasrohre 17 an einer Seite stromaufwärts des Stapelverteilerrohrs 16 angeordnet, um das Wasserstoffgas zu befeuchten. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Stapelverteilerrohr 16 und eines der Wasserstoffgasrohre 17 mit einer Gaszufuhrpassage verbunden, welche ermöglicht, das Wasserstoffgas in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 von außerhalb der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 strömt.
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Eine Endplatte 21 ist an einer anderen der zwei Endzellen 11 (rechts in 1) befestigt, um eine Außenseitenendfläche der Endzelle, welche an einer Außenseite in der Stapelrichtung D angeordnet ist, abzudecken. Die Endplatte 21 schließt die Öffnungen der Fluidpassagen (Wasserstoffgaseinlasspassage 12, Lufteinlasspassage 13, Wasserstoffgasauslasspassage 14, Luftauslasspassage 15, Kühlmitteleinlasspassage und Kühlmittelauslasspassage) an der Endfläche der Endzelle 11.
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Die Brennstoffzelle ist in der vorliegenden Ausführungsform als Stromversorgungsquelle in einem elektrischen Auto in einem geneigten Zustand mittels eines vorgegebenen Winkels α (einige wenige Grad in der vorliegenden Ausführungsform) installiert, sodass das Ende der Brennstoffzelle zu dem Stapelverteilerrohr 16 in Stapelrichtung D in einer niedrigen Position angeordnet ist. Bei der Installation der Brennstoffzelle in einem derartigen geneigten Zustand, ist die Wasserstoffgasauslasspassage 14 derart geneigt, dass die Wasserstoffgasauslasspassage 14 sich stufenweise abwärts zu dem Stapelverteilerrohr 16 erstreckt. Dadurch wird das Ablassen von Wasser aus der Wasserstoffgasauslasspassage 14 erleichtert.
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Die Struktur der stromerzeugenden Zelle 10 wird nun beschrieben.
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Jede stromerzeugende Zelle 10 beinhaltet eine Membranelektrodenbauteilgruppe 50A. Die Membranelektrodenbauteilgruppe 50A hat eine Fünflagenstruktur, welche eine Elektrolytmembrane, welche eine Polymermembrane ist, zwei Elektroden, welche die Elektrolytmembrane umgeben, und zwei Gasdiffusionsschichten, welche aus Karbonplatten bestehen und welche die Elektrolytmembrane und die zwei Elektroden umgeben, beinhaltet. Die stromerzeugende Zelle 10 hat eine Struktur, in welcher eine flache Rahmenplatte 50 von einem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und einem zweiten Trennelement 60 stromabwärts umschlossen ist. Die Membranelektrodenbauteilgruppe 50A formt einen zentralen Abschnitt der Rahmenplatte 50. Der verbleibende Abschnitt der Rahmenplatte 50 ist durch ein Isolationsmaterial geformt.
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Wie in 2 gezeigt, ist das erste Trennelement 30 stromaufwärts eine dünne Metallplatte, welche gepresst worden ist, um Unregelmäßigkeiten aufzuweisen. Die Unregelmäßigkeiten haben die Funktion eine erste Durchflusspassage zu definieren (Wasserstoffgasdurchflusspassage 10A), welche es dem Wasserstoffgas ermöglicht zu der stromerzeugenden Zelle 10 zu strömen, und eine Kühlmitteldurchflusspassage, welche es dem Kühlmittel ermöglicht durch eine Lücke zwischen benachbarten stromerzeugenden Zellen 10 zu fließen. 2 zeigt die Oberfläche des ersten Trennelements 30 stromaufwärts, welches in Richtung der Rahmenplatte 50 (siehe 1) zeigt.
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Das erste Trennelement 30 stromaufwärts umfasst die Durchgangsöffnungen 31 bis 36. Die Durchgangsöffnung 31 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt einer längsverlaufenden Seite (oberer linker Abschnitt in 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und formt einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12. Die längsverlaufende Richtung entspricht der Seitwärtsrichtung in 2. Die Durchgangsöffnung 32 erstreckt sich durch einen unteren Abschnitt der längsverlaufenden Seite (unterer rechter Abschnitt in 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und formt einen Abschnitt der Wasserstoffgasauslasspassage 14. Die Durchgangsöffnung 33 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt der längsverlaufenden Seite (oberer rechter Abschnitt in 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und formt einen Abschnitt der Lufteinlasspassage 13. Das Durchgangsloch 34 erstreckt sich durch einen unteren Abschnitt der längsverlaufenden Seite (niedriger linker Abschnitt in 2) des ersten Trennelements 30 stromabwärts und formt einen Abschnitt der Luftauslasspassage 15. Die Durchgangsöffnung 35 erstreckt sich durch eine längsverlaufende Seite (links in 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und formt einen Abschnitt der Kühlmitteleinlasspassage 21, welche die Kühlmittel zu der Kühlmittelpassage verteilt, sodass die Kühlmittel in die Kühlmittelpassage fließen. Das Durchgangsloch 36 erstreckt sich durch die andere längsverlaufende Seite (rechts in 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und formt einen Abschnitt der Kühlmittelauslasspassage 23, welche Kühlmittel, die durch die Kühlmitteldurchflusspassage geflossen sind, zusammenführt und ausleitet. Die Durchgangsöffnungen 31, 32, 33, 34, 35, 36 sind definiert durch innere Ränder, welche Absätze 31A, 32A, 33A, 34A, 35A, 36A haben, welche in Richtung entfernt von der Rahmenplatte 50 vertieft sind.
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Eine Vertiefung 37 ist in einem länglichen Zentralabschnitt des ersten Trennelements 30 stromabwärts ausgebildet. Der Bereich, in dem die Vertiefung 37 ausgebildet ist, schließt einen Teil ein, welcher der Membranelektrodenbauteilgruppe 50A (angezeigt durch die gebrochene Linie in 2) benachbart ist. Das erste Trennelement 30 stromaufwärts und die Rahmenplatte 50 (siehe 1) sind in engem Kontakt miteinander innerhalb der stromerzeugenden Zelle 10. Daher erzeugt die Vertiefung 37 einen leeren Raum zwischen dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und der Rahmenplatte 50, definierend einen Abschnitt der Wasserstoffgasdurchflusspassage 10A, durch welche Wasserstoffgas strömt.
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Der Boden der Vertiefung 37 beinhaltet eine Vielzahl von Durchflusspassagenprojektionen 38. Die Durchflusspassagenprojektionen 38 sind länglich und nebeneinander angeordnet. Die Durchflusspassagenprojektionen 38 definieren die Wasserstoffgasdurchflusspassage 10A als eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Zweigpassagen 40, welche individuell die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 (Durchgangsöffnung 31) und die Wasserstoffgasauslasspassage 14 (Durchgangsöffnung 32) miteinander verbinden. Insbesondere die Zweigpassagen 40 beinhalten eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Einlassstrompassagen 41, welche individuell mit der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 verbunden sind, Divergenzflusspassagen 42, welche jede Einlassflusspassage 41 in eine Vielzahl von (acht in der vorliegenden Ausführungsform) Passagen aufteilt und eine Vielzahl von (acht in der vorliegenden Ausführungsform) Hauptflusspassagen 43, welche individuell mit den Divergenzflusspassagen 42 verbunden sind und sich parallel erstrecken. Die Zweigpassagen 40 beinhalten des Weiteren Konvergenzflusspassagen 44, welche die Hauptflusspassagen 43 in eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Passagen und eine Vielzahl von Auslassstrompassagen 45, welche individuell die kombinierten Konvergenzflusspassagen 44 mit den Wasserstoffgasauslasspassagen 14 verbinden, kombinieren. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Form der Divergenzflusspassage 42 und die Konvergenzflusspassage 44 derart ausgelegt, dass das Wasserstoffgas, welches in eine Zweigpassage 40 strömt auf acht Hauptflusspassagen 43 verteilt wird. In der vorliegenden Ausführungsform korrespondieren Divergenzflusspassagen 42 und Hauptflusspassagen 43 mit Teilungspassagen.
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Wie in 3 gezeigt, beinhaltet die Rahmenplatte 50 Durchgangsöffnungen 51 bis 56, welche teilweise die Fluidflusspassagen ausformen (Wasserstoffgaseinlasspassage 12, Lufteinlasspassage 13, Wasserstoffgasauslasspassage 14, Luftauslasspassage 15, Kühlmitteleinlasspassage 22 und Kühlmittelauslasspassage 23). In der stromerzeugenden Zelle 10 sind die Rahmenplatte 50 und das erste Trennelement 30 stromaufwärts (siehe 2) im engen Kontakt untereinander an der Rändern der Durchgangsöffnungen 51 bis 56. Daher sind die Wasserstoffgaseinlasspassage 12, die Lufteinlasspassage 13, die Wasserstoffauslasspassage 14, die Luftauslasspassage 15, die Kühlmitteleinlasspassage 22 und die Kühlmittelauslasspassage 23 zwischen der Oberfläche und der Rahmenplatte 50 und dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und der Außenseite abgedichtet.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt, enthält die Rahmenplatte 50 eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) länglichen Löchern 51A, welche von Positionen neben der Durchgangsöffnung 31 (insbesondere die Vertiefung 31A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 reichen. Die länglichen Löcher 51A sind Lücken zum Austausch der Wasserstoffeinlasspassage 12 (insbesondere die Durchgangsöffnung 31) und der Vertiefung 37 zwischen dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und dem ersten Trennelement 60 stromabwärts (siehe 1). In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 51A einen Abschnitt der Wasserstoffgasdurchflusspassage 10A (insbesondere Abschnitt der Einlassflusspassage 41, angeordnet zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12).
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Die Rahmenplatte 50 beinhaltet ebenfalls eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) länglichen Löchern 52A, welche von Positionen neben der Durchgangsöffnung 32 (insbesondere die Vertiefung 32A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 reichen. Die länglichen Löcher 52A sind Lücken, welche die Wasserstoffgasauslasspassage 14 (insbesondere die Durchgangsöffnung 32) und die Vertiefung 37 zwischen dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und dem ersten Trennelement 60 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 52A einen Abschnitt der Wasserstoffgasdurchflusspassage 10A (insbesondere einen Abschnitt der Auslassflusspassage 45, angeordnet zur Wasserstoffgasauslasspassage 14).
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Wie in 4 gezeigt, ist das erste Trennelement 60 stromabwärts eine dünne Metallplatte, welche gepresst worden ist, um Unregelmäßigkeiten aufzuweisen. Diese Unregelmäßigkeiten haben die Funktion eine Gasdurchflusspassage (Luftdurchflusspassage 10B) zu definieren, welche es Luft ermöglicht zu der stromerzeugenden Zelle 10 und zu einer Kühlmittelflusspassage zu strömen. Die Form des ersten Trennelements 60 stromabwärts ist im Grunde genommen ein Spiegelbild der Form des ersten Trennelements 30 stromaufwärts (siehe 2). 4 zeigt die Oberfläche des ersten Trennelements 60 stromabwärts ausgerichtet zur Rahmenplatte 50 (siehe 1).
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Das erste Trennelement 60 stromabwärts umfasst die Durchgangsöffnungen 61 bis 66. Die Durchgangsöffnung 61 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt von einer längsverlaufenden Seite (oberer rechter Abschnitt in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12. Die Durchgangsöffnung 62 erstreckt sich durch einen unteren Abschnitt der anderen längsverlaufenden Seite (unterer linker Abschnitt in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Wasserstoffgasauslasspassage 14. Die Durchgangsöffnung 63 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt einer längsverlaufenden Seite (oberer linker Abschnitt in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Lufteinlasspassage 13. Die Durchgangsöffnung 64 erstreckt sich durch einen unteren Abschnitt der anderen längsverlaufenden Seite (unterer rechter Abschnitt in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Luftauslasspassage 15. Die Durchgangsöffnung 65 erstreckt sich durch eine längsverlaufende Seite (rechts in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Kühlmitteleinlasspassage 22. Die Durchgangsöffnung 66 erstreckt sich durch die andere längsverlaufende Seite (links in 4) des ersten Trennelements 60 stromabwärts und bildet einen Abschnitt der Kühlmittelauslasspassage 23. Die Durchgangsöffnungen 61, 62, 63, 64, 65, 66 sind definiert durch innere Ränder, welche Absätze 61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A haben, welche in Richtung entfernt von der Rahmenplatte 50 vertieft sind.
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Eine Vertiefung 67 ist in einem länglichen Zentralabschnitt des ersten Trennelements 60 stromabwärts ausgebildet. Der Bereich, in dem die Vertiefung 67 ausgebildet ist, schließt einen Teil ein, welcher der Membranelektrodenbauteilgruppe 50A (angezeigt durch die gebrochene Linie in 4) benachbart ist. Das erste Trennelement 60 stromabwärts und die Rahmenplatte 50 (siehe 3) sind in engem Kontakt miteinander innerhalb der stromerzeugenden Zelle 10. Daher erzeugt die Vertiefung 67 einen leeren Raum zwischen dem ersten Trennelement 60 stromabwärts und der Rahmenplatte 50, definierend einen Abschnitt der Luftdurchflusspassage 10B, durch welche Luft strömt.
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Der Boden der Vertiefung 67 beinhaltet eine Vielzahl von Durchflusspassagenprojektionen 68. Die Durchflusspassagenprojektionen 68 sind länglich und nebeneinander angeordnet. Die Durchflusspassagenprojektionen 68 definieren die Luftdurchflusspassage 10B als eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Zweigpassagen 70, welche individuell die Lufteinlasspassage 13 (Durchgangsöffnung 63) und die Luftauslasspassage 15 (Durchgangsöffnung 64) verbinden. Insbesondere die Zweigpassagen 70 beinhalten eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Einlassflusspassagen 71, welche individuell mit der Lufteinlasspassage 13, der Divergenzdurchflusspassage 72, welche jede Einlassflusspassage 71 in eine Vielzahl von (acht in der vorliegenden Ausführungsform) Passagen aufteilt, und eine Vielzahl von Hauptflusspassagen 73 (achtzig in der vorliegenden Ausführungsform), welche individuell mit den Divergenzdurchflusspassagen 72 verbunden sind und sich parallel erstrecken, verbunden sind. Die Zweigpassagen 70 beinhalten ebenfalls Konvergenzflusspassagen 74, welche die Hauptflusspassagen 73 mit einer Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Passagen kombinieren, und eine Vielzahl von Auslassflusspassagen 75, welche die kombinierten Konvergenzflusspassagen 74 mit den Luftauslasspassagen 15 individuell verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Formen der Divergenzflusspassagen 72 und der Konvergenzflusspassagen 74 derart ausgelegt, dass in die Zweigpassagen 70 strömende Luft auf acht Hauptflusspassagen 73 verteilt wird. Daraus ergibt sich, dass der Druckverlust annähernd gleichmäßig unter den Zweigpassagen 70 ist. Während die Hauptflusspassagen 43 (siehe 2) des ersten Trennelements 30 stromaufwärts sich linear parallel in gleichen Abschnitten erstrecken, erstrecken sich die Hauptflusspassagen 73 des ersten Trennelements 60 stromabwärts wellenförmig und nebeneinander in gleichen Abschnitten.
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In der stromerzeugenden Zelle 10, sind die Rahmenplatte 50 (siehe 3) und das erste Trennelement 60 stromabwärts (siehe 4) in engem Kontakt miteinander um die Ränder der Rahmenplatte 50, definierend die Durchgangsöffnungen 51 bis 56. Daher sind die Wasserstoffgaseinlasspassage 12, die Lufteinlasspassage 13, die Wasserstoffgasauslasspassage 14, die Luftauslasspassage 15, die Kühlmitteleinlasspassage 22 und die Kühlmittelauslasspassage 23 zwischen der Oberfläche und der Rahmenplatte 50 und dem ersten Trennelement 60 stromabwärts gegen die Außenseite abgedichtet.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst die Rahmenplatte 50 eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) länglichen Löchern 53A, welche sich von einer Position neben der Durchgangsöffnung 63 (insbesondere die Vertiefung 63A) zu einer Position neben der Vertiefung 67 erstrecken. Die länglichen Löcher 53A sind Lücken, welche die Lufteinlasspassage 13 (insbesondere die Durchgangsöffnung 63) und die Vertiefung 67 zwischen dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts (siehe 2) und dem ersten Trennelement 60 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 53A einen Abschnitt der Luftdurchflusspassage 10B (insbesondere einen Abschnitt der Einlassflusspassage 71, angeordnet zu der Lufteinlasspassage 13).
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Die Rahmenplatte 50 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) länglichen Löchern 54A, welche sich von einer Position neben dem Durchgangsloch 64 (insbesondere der Vertiefung 64A) zu einer Position neben der Vertiefung 67 erstrecken. Die länglichen Löcher 54A sind Lücken, welche die Luftauslasspassage 15 (insbesondere die Durchgangsöffnung 64) und die Vertiefung 67 zwischen dem ersten Trennelement 30 stromaufwärts und dem ersten Trennelement 60 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 54A einen Abschnitt der Luftdurchflusspassage 10B (insbesondere einen Abschnitt der Auslassflusspassage 75, angeordnet zu der Luftauslasspassage 15).
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Die Kühlmittelflusspassagen sind zwischen benachbarten stromerzeugenden Zellen 10 (siehe 1) in der Brennstoffzelle durch die äußere Oberfläche des ersten Trennelements 30 stromaufwärts der stromerzeugenden Zelle 10 und der äußeren Oberfläche des ersten Trennelements 60 stromabwärts der anderen stromerzeugenden Zelle 10 definiert. Die Kühlmittelflusspassage ist ebenfalls definiert zwischen einer Randzelle 11 (links in 1) und einer benachbarten stromerzeugenden Zelle 10 durch die äußere Oberfläche eines zweiten Trennelements 110 stromabwärts einer Endzelle 11 und der äußeren Oberfläche eines ersten Trennelements 30 stromaufwärts einer stromerzeugenden Zelle 10. Die Kühlmittelflusspassage ist ebenfalls definiert zwischen einer anderen Endzelle 11 (rechts in 1) und einer benachbarten stromerzeugenden Zelle 10, durch die äußere Oberfläche eines zweiten Trennelements 80 stromaufwärts der Endzelle 11 und einer äußeren Oberfläche des ersten Trennelements 60 stromabwärts der stromerzeugenden Zelle 10. Die Kühlmittelflusspassage ist mit der Kühlmitteleinlasspassage 22 und der Kühlmittelauslasspassage 23 verbunden.
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Die Struktur der Endzellen 11 wird nun beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst jede Endzelle 11 eine Struktur, welche eine Rahmenplatte 100, von zwei Trennelementen 80 stromaufwärts beidseitig umgebend und einem zweiten Trennelement 110 stromabwärts, umfasst.
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Wie in 5 gezeigt, ist die Grundstruktur des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts die Gleiche wie die Grundstruktur des ersten Trennelements 30 stromaufwärts (siehe 2). Das erste Trennelement stromaufwärts unterscheidet sich allerdings grundsätzlich von dem zweiten Trennelement 80 stromabwärts in der Form der Durchgangsöffnung, welche einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 bildet, und der Formen der Divergenzflusspassagen und der Konvergenzflusspassagen, welche zum Teil die Wasserstoffgasflusspassage formen. Die Beschreibung der Struktur des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts wird sich auf die Unterschiede fokussieren. Das erste Trennelement 30 stromaufwärts und das zweite Trennelement 80 stromaufwärts haben die gleiche Struktur, mit Ausnahme der zuvor erwähnten Durchgangsöffnung, der Divergenzflusspassage und der Konvergenzflusspassage. Elemente mit der gleichen Struktur sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben. 5 zeigt die Oberfläche des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts, welche in Richtung der Rahmenplatte 100 zeigt (siehe 1).
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Das zweite Trennelement 80 stromaufwärts beinhaltet eine Durchgangsöffnung 81, welche einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 formt. Die Durchgangsöffnung 81 ist definiert durch einen inneren Rand, welcher eine Vertiefung 81A hat, welche in eine Richtung von der Rahmenplatte 100 entfernt vertieft ist. Die Durchgangsöffnung 81 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt einer längsverlaufenden Seite (oberer linker Abschnitt in 5) eines zweiten Trennelements 80 stromaufwärts. Die längsverlaufende Richtung entspricht der seitlichen Richtung in 5. Die Durchgangsöffnung 81 und die Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts (siehe 2) definieren jeweils eine rechtwinklige Öffnung mit abgerundeten Ecken. Die untere Kante der rechtwinkligen Öffnung der Durchgangsöffnung 81 ist an einer Position angeordnet, welche tiefer als jene der Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts ist. Daher ist die Durchgangsöffnung 81 abwärts breiter als die Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts.
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Der Boden der Vertiefung 37 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts umfasst eine Vielzahl von Flusspassagenprojektionen 98. Die Flusspassagenprojektionen 98 definieren eine zweite Flusspassage (im Folgenden als „Nebenstromflusspassage 11A“ referenziert), welche die Durchgangsöffnung 81 (Wasserstoffgaseinlasspassage 12) und die Durchgangsöffnung 32 (Wasserstoffgasauslasspassage 14) verbindet, um ein Durchströmen von Wasserstoffgas zu ermöglichen, als eine Vielzahl von (zehn in der vorliegenden Ausführungsform) Zweigpassagen 90. Die Zweigpassagen 90 umfassen Divergenzflusspassagen 92 und Konvergenzflusspassagen 94. Die Formen von diesen sind so ausgelegt, dass die oberen (fünf in der vorliegenden Ausführungsform) der Zweigpassagen 90 jeweils eingetretenes Wasserstoffgas zu vier Hauptflusspassagen 43 verteilen. Zusätzlich sind die Formen der Divergenzflusspassagen 92 und der Konvergenzflusspassagen 94 ausgelegt, sodass die unteren (fünf in der vorliegenden Erfindung) der gesamten Zweigpassage 90 jeweils eingetretenes Wasserstoffgas zu zwölf Hauptflusspassagen 43 verteilen.
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Wie in 6 gezeigt, ist die Basisstruktur der Rahmenplatte 100 die Gleiche wie die Basisstruktur der Rahmenplatte 50 (siehe 3). Die Rahmenplatte 100 unterscheidet sich von der Rahmenplatte 50 darin, dass die Rahmenplatte 100 eine Platte 100A anstelle einer Membranelektrodenbauteilgruppe 50A umfasst und in der Form der Durchgangsöffnung 101, welche einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 bildet. Die Beschreibung der Struktur der Rahmenplatte 100 wird sich auf die Unterschiede fokussieren. In 6 sind Elemente, welche die gleiche Struktur wie die entsprechenden Elemente der Rahmenplatte 50 aufweisen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben.
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Die Platte 100A bildet einen zentralen Abschnitt der Rahmenplatte 100. Der verbleibende Abschnitt der Rahmenplatte 100 ist durch ein Isolationsmittel ausgebildet. Die Platte 100A hat eine Dreilagenstruktur, in welcher ein Plattenkörper, ausgebildet durch einen luftundurchlässigen elektrischen Leiter (eine Metallplatte in der vorliegenden Ausführungsform) und zwei Karbonplatten, den Plattenkörper beidseitig umgebend, ist. Die Platte 100A ist mit dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts verbunden, um das zweite Trennelement 80 stromaufwärts und das zweite Trennelement 110 stromabwärts elektronisch zu verbinden. Die Endzelle 11 ermöglicht es Wasserstoffgas und Luft durchströmen zu lassen, aber ist nicht dazu ausgelegt Strom zu erzeugen, da sie nicht die Membranelektrodenbauteilgruppe 50A beinhaltet (siehe 1).
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Die Rahmenplatte 100 umfasst die Durchgangsöffnung 101, welche einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 ausbildet und die Durchgangsöffnungen 52 bis 56. Die Durchgangsöffnung 101 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt einer längsverlaufenden Seite (oberer linker Abschnitt in 6) der Rahmenplatte 100. Die längsverlaufende Richtung entspricht einer Seitwärtsrichtung in 6. Die Durchgangsöffnung 101 und die Durchgangsöffnung 51 der Rahmenplatte 50 (siehe 3) definieren jeweils eine rechtwinklige Öffnung mit abgerundeten Ecken. Die untere Kante der rechtwinkligen Öffnung der Durchgangsöffnung 101 ist an einer tieferen Position als die Durchgangsöffnung 51 der Rahmenplatte 50 angeordnet. Folglich hat die Durchgangsöffnung 101 im Wesentlichen die gleiche Form wie (insbesondere ist diese geringfügig kleiner als) die Durchgangsöffnung 81 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts und ist abwärts breiter als die Durchgangsöffnung 51 der Rahmenplatte 50.
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Innerhalb der Endzelle 11 sind die Rahmenplatte 100 und das zweite Trennelement 80 stromaufwärts (siehe 5) im engen Kontakt um die Kanten der Durchgangsöffnung 101 und 52 bis 56 zueinander. Folglich sind die Wasserstoffgaseinlasspassage 12, die Lufteinlasspassage 13, die Wasserstoffgasauslasspassage 14, die Luftauslasspassage 15, die Kühlmitteleinlasspassage 22 und die Kühlmittelauslasspassage 23 zwischen der Oberfläche des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts und der ersten Rahmenplatte 100 gegen die Außenseite abgedichtet.
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Wie in den 5 und 6 gezeigt, umfasst die Rahmenplatte 100 eine Vielzahl von länglichen Löchern 51A, welche sich von einer Position neben der Durchgangsöffnung 81 (insbesondere der Vertiefung 81A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Die länglichen Löcher 51A sind Lücken, welche die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 (insbesondere die Durchgangsöffnung 81) und die Vertiefung 37 zwischen dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 51A der Rahmenplatte 100 einen Abschnitt der Einlassflusspassage 41 der Nebenstromflusspassage 11A, angeordnet zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12.
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Die Rahmenplatte 100 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von länglichen Löchern 52A, welche sich von Positionen neben der Durchgangsöffnung 32 (insbesondere der Vertiefung 32A) zu Positionen neben der Vertiefung 37 erstrecken. Die länglichen Löcher 52A sind Lücken, welche die Wasserstoffgasauslasspassage 14 (insbesondere die Durchgangsöffnung 32) und die Vertiefung 37 zwischen dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 52A der Rahmenplatte 100 einen Abschnitt der Auslassflusspassage 45 der Nebenstromflusspassage 11A, ausgerichtet zu der Wasserstoffgasauslasspassage 14.
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Wie in 7 gezeigt, haben das zweite Trennelement 110 stromabwärts und das erste Trennelement 60 stromabwärts (siehe 4) im Wesentlichen die gleiche Struktur. Die Beschreibung der Struktur des zweiten Trennelements 110 stromabwärts wird sich auf die Unterschiede zu dem ersten Trennelement 60 stromabwärts konzentrieren. In 7 sind Elemente mit der gleichen Struktur wie entsprechende Elemente des ersten Trennelements 60 stromabwärts mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben.
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Das zweite Trennelement 110 stromabwärts umfasst eine Durchgangsöffnung 111, welche einen Abschnitt der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 bildet, und die Durchgangsöffnungen 62 bist 66. Die Durchgangsöffnung 111 erstreckt sich durch einen oberen Abschnitt einer längsverlaufenden Seite (oberer linker Abschnitt in 7) des zweiten Trennelements 110 stromabwärts. Die längsverlaufende Richtung entspricht einer Seitwärtsrichtung in 7. Die Durchgangsöffnung 111 ist durch einen inneren Rand definiert, welcher eine Vertiefung 111A aufweist, welche in einer Richtung von der Rahmenplatte 100 weg vertieft ist. Die Durchgangsöffnung 111 und die Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts (siehe 4) definieren jeweils eine rechtwinklige Öffnung mit abgerundeten Ecken. Die untere Kante der rechtwinkligen Öffnung der Durchgangsöffnung 111 ist an einer höheren Position angeordnet als jene der Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts. Folglich ist die Durchgangsöffnung 111 nach oben verjüngt im Vergleich zur Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts.
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In der Endzelle 11 sind das zweite Trennelement 110 stromabwärts und die Rahmenplatte 100 (siehe 5) im engen Kontakt um die Kanten der Durchgangsöffnung 111 und 62 bis 66 zueinander. Folglich sind die Wasserstoffgaseinlasspassage 12, die Lufteinlasspassage 13, die Wasserstoffgasauslasspassage 14, die Luftauslasspassage 15, die Kühlmitteleinlasspassage 22 und die Kühlmittelauslasspassage 23 zwischen der Oberfläche der Rahmenplatte 100 und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts gegen die Außenseite abgedichtet.
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Wie in den 6 und 7 gezeigt, umfasst die Rahmenplatte 100 eine Vielzahl von länglichen Löchern 53A, welche sich von Positionen neben der Durchgangsöffnung 63 (insbesondere der Vertiefung 63A) zu Positionen neben der Vertiefung 67 erstrecken. Die länglichen Löcher 53A sind Lücken, welche die Lufteinlasspassage 13 (insbesondere die Durchgangsöffnung 63) und die Vertiefung 67 zwischen dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 53A der Rahmenplatte 100 einen Abschnitt der Nebenstromflusspassage 11B (siehe 1), welche die Lufteinlasspassage 13 und die Luftauslasspassage 15 (insbesondere ein Abschnitt der Einlassflusspassage 71, angeordnet zu der Lufteinlasspassage 13) verbindet.
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Die Rahmenplatte 100 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von länglichen Löchern 54A, welche sich von Positionen neben der Durchgangsöffnung 64 (insbesondere der Vertiefung 64A) zu Positionen neben der Vertiefung 67 erstrecken. Die länglichen Löcher 54A sind Lücken, welche die Luftauslasspassage 15 (insbesondere die Durchgangsöffnung 64) und die Vertiefung 67 zwischen dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts verbinden. In der vorliegenden Ausführungsform bildet jedes der länglichen Löcher 54A der Rahmenplatte 100 einen Abschnitt der Auslassflusspassage 75 der Nebenstromflusspassage 11B, welche zu der Luftauslasspassage 15 angeordnet ist.
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Wie in den 8 und 9 gezeigt, haben die Durchgangsöffnungen 32, 52, 62, welche die Wasserstoffgasauslasspassage 14 bilden, in der stromerzeugenden Zelle 10 und der Endzelle 11 im Wesentlichen die gleiche Form. Insbesondere haben die Durchgangsöffnung 32 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts, die Durchgangsöffnung 62 des ersten Trennelements 60 stromabwärts, die Durchgangsöffnung 32 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts und die Durchgangsöffnung 62 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts die gleiche Form. Zusätzlich haben die Durchgangsöffnung 52 der Rahmenplatte 50 und die Durchgangsöffnung 52 der Rahmenplatte 100 die gleiche Form und sind geringfügig kleiner als die Durchgangsöffnungen 32, 62. Ähnlich wie zuvor beschrieben haben die Durchgangsöffnungen 33, 53, 63, welche die Lufteinlasspassage 13 bilden, in der stromerzeugenden Zelle 10 und der Endzelle 11 die gleiche Form; die Durchgangsöffnungen 34, 54, 64, welche die Luftauslasspassage 15 bilden, haben die gleiche Form; die Durchgangsöffnungen 35, 55, 65, welche die Kühlmitteleinlasspassage 22 bilden, haben die gleiche Form; und die Durchgangsöffnungen 36, 56, 66, welche die Kühlmittelauslasspassage 23 bilden, haben die gleiche Form.
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Wie in 10 und 11 gezeigt, haben dazu im Gegensatz die Durchgangsöffnungen 31, 51, 61, 81, 101, 111, welche die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 bilden, in der stromerzeugenden Zelle 10 und der Endzelle 11 unterschiedliche Formen.
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Insbesondere ist die Durchgangsöffnung 81 des zweiten Trennelements 80 abwärts breiter als die Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts. Zusätzlich hat die Durchgangsöffnung 101 der Rahmenplatte 100 im Wesentlichen die gleiche Form wie die Durchgangsöffnung 81 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts und ist abwärts breiter als die Durchgangsöffnung 51 der Rahmenplatte 50.
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Dieses bildet eine Struktur (erste Struktur), in welcher die Bodenwand der Durchgangsöffnung 81 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts (d.h. ein Abschnitt korrespondierend zu der Bodenwand der Wasserstoffgaseinlasspassage 12), welches stromaufwärts in einer Richtung der Wasserstoffgasströmung (im Folgenden vereinfacht als „Seite stromaufwärts“ bezeichnet) angeordnet ist, und die Bodenwand der Durchgangsöffnung 101 der Rahmenplatte 100 (d.h. ein Abschnitt korrespondierend zur Bodenwand der Wasserstoffgaseinlasspassage 12) abwärts versenkt sind, im Vergleich zu dem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10.
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Andererseits ist die Durchgangsöffnung 111 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts verjüngt, im Vergleich zu der Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts, durch eine Aufwärtsprojektion der Bodenwand, definierend die Durchgangsöffnung 111.
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Dieses bildet eine Struktur (zweite Struktur), in welcher die Bodenwand der Durchgangsöffnung 111 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts (d.h. ein Abschnitt korrespondierend zu der Bodenwand der Wasserstoffgaseinlasspassage 12), welches stromabwärts in einer Richtung der Wasserstoffgasströmung (im Folgenden vereinfacht als „Seite stromabwärts“ bezeichnet) angeordnet ist, aufwärts projiziert ist, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zelle 10 (insbesondere der Bodenwand der Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts).
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In 10 zeigt die Linie W ein Wasserstandslevel an (im Folgenden als „Maximales Wasserstandslevel“ bezeichnet), welcher erreicht wird, wenn Wasser in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 mit einer maximalen Flussrate innerhalb einer erwarteten Größenordnung mit der Brennstoffzelle im Ruhezustand einströmt. Das maximale Wasserstandslevel W ist durch die Erfinder aus den Ergebnissen von verschiedenen Tests und Simulationen errechnet worden.
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Wie in 10 gezeigt, ist in dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts die Form der Durchgangsöffnung 111 so ausgelegt, dass das untere Ende der Durchgangsöffnung 111 oberhalb des maximalen Wasserstandslevels W angeordnet ist.
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Zusätzlich sind in dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts die Formen der Zweigpassagen 90 so ausgelegt, dass das obere Ende (angezeigt durch den Pfeil E in 10) des Endabschnitts der obersten von den unteren Zweigpassagen 90 (siehe 5), welcher zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 angeordnet ist, oberhalb des maximalen Wasserstandslevels W angeordnet ist. In 10 zeigt die einfach gestrichelte Linie die Grenze zwischen den unteren Zweigpassagen 90 und den oberen Zweigpassagen 90.
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Der Betrieb und die Vorteile der Endzellen 11 mit den zuvor beschriebenen Strukturen wird nun beschrieben.
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Die Endzellen 11 umfassen die Nebenstromflusspassage 11A, welche die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 und die Wasserstoffgasauslasspassage 14 verbindet. Folglich wird Wasser, wenn dieses in dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Luftbefeuchter 20 produziert wird und in die Brennstoffzelle fließt (Wasserstoffgaseinlasspassage 12), durch den Wasserstoffgasfluss von der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die Endzelle 11 (insbesondere in die Nebenstromflusspassage 11A) geleitet. Dieses begrenzt den Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10.
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Zusätzlich, wie in 11 gezeigt, da die „erste Struktur“ angewandt ist, ist der Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand abwärts versetzt ist, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10 (insbesondere ein Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die stromerzeugenden Zellen 10). Dieses formt eine Struktur, in welcher der Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die Endzelle 11 abwärts geweitet ist. Folglich ist der Wasserstoffgasfluss leicht abwärts gekrümmt in dem abwärts geweiteten Abschnitt. Dieser Fluss erleichtert den Eintritt von Wasser (oder Wassertropfen) in die Nebenstromflusspassage 11A von der Wasserstoffgaseinlasspassage 12.
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Zusätzlich, da die „zweite Struktur“ angewandt ist, ist der Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand nach oben hervor steht, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10 (Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in stromerzeugenden Zellen 10). Folglich trifft Wasser (oder Wassertropfen) den oberen Überstand der Bodenwand der Wasserstoffgaseinlasspassage 12. Als Konsequenz fällt das Wasser abwärts und fließt in die Nebenstromflusspassage 11A. Ebenso trifft das Wasserstoffgas den oberen Überstand der Bodenwand und der Wasserstoffgasfluss wird zum Teil abwärts abgelenkt. Der Wasserstoffgasfluss leitet Wasser (oder Wassertropfen) in die Nebenstromflusspassage 11A.
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Wie zuvor beschrieben hat die vorliegende Ausführungsform die „erste Struktur“ und die „zweite Struktur“. Dies erleichtert den Eintritt von Wasser in die Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11, um Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10 zu limitieren. Dieser Vorteil kann erwirkt werden, wenn nur eine der „ersten Struktur“ und der „zweiten Struktur“ angewandt ist.
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In der Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform ist das Wasserstoffgasrohr 17 mit der Endzelle 11 verbunden, welche an dem einen Ende (links in 1) in der Stapelrichtung D mit dem Stapelverteilerrohr 16 verbunden ist. Folglich wird Wasser, wenn es in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 aus dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Stapelverteilerrohr 16 eintritt, in die Endzelle 11 geleitet ohne die stromerzeugenden Zellen 10 zu erreichen. Dieses reduziert die Menge an Wasser, welche die stromerzeugenden Zellen 10 erreicht. Ebenfalls können Vibrationen oder Kurven einen Eintritt von Wasser in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 ermöglichen, wenn ein elektrisches Auto fährt. Das Wasser kann durch die stromerzeugenden Zellen 10 passieren und die Endzelle 11 erreichen, welche weiter entfernt von dem Stapelverteilerrohr 16 (rechts in 1) angeordnet ist. In diesem Fall wird Wasser, welches die Endzelle 11 erreicht, hat in die Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11 geleitet. Folglich limitiert die Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform sicher den Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10.
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Wenn Wasser in die Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11 eintritt und in der Nebenstromflusspassage verbleibt, wird die Querschnittsfläche der Nebenstromflusspassage 11A (insbesondere der Zweigpassagen 90, beinhaltend Wasser) entsprechend dem Wasser reduziert. Dieses kann verhindern, dass Wasserstoffgas durch die Nebenstromflusspassage 11A strömt. In diesem Fall kann Wasser nicht ordnungsgemäß aus der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die Nebenstromflusspassagen 11A geleitet werden.
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Wie in 5 gezeigt, verteilt in der Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11 jede der unteren Zweigpassagen 90 das Wasserstoffgas zu einer größeren Anzahl von Hauptflusspassagen 43 (insbesondere ist jede untere Zweigpassage 90 mit einer größeren Anzahl von Hauptflusspassagen 43 verbunden) als es jede der oberen Zweigpassagen 90 tut. Folglich ist der integrierte Wert der Querschnittsfläche der (zwölf) Hauptflusspassagen 43, welche zu den unteren Zweigpassagen 90 verbunden sind, größer als der integrierte Wert der Querschnittsflächen der (vier) Hauptflusspassagen 43, welche zu den oberen Zweigpassagen 90 verbunden sind. Folglich haben unter den Zweigpassagen 90 der Nebenstromflusspassagen 11A die unteren Zweigpassagen 90, in welchen das Wasser einfach eintritt, einen kleineren Druckverlust als die oberen Zweigpassagen 90, in welche das Wasser nicht einfach eintritt.
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Wie schematisch in 12 gezeigt, ist die Menge an Wasserstoffgas, welches in die oberen Zweigpassagen 90 fließt, vermindert, während die Menge an Wasserstoffgas, welches in die unteren Zweigpassagen 90 fließt, erhöht ist. In Folge dessen wird Wasser, wenn es in die unteren Zweigpassagen 90 geleitet wird, von der relativ großen Menge an Gas, welche in die Zweigpassagen 90 strömt, einfach durch die Zweigpassagen 90 geleitet. Dieses limitiert Wasser, welches in den Zweigpassagen 90 verbleibt, hält die Funktion aufrecht, Wasser in die Nebenstromflusspassage 11A zu leiten. Die einfach gestrichelte Linie in 12 zeigt die Grenze zwischen den unteren Zweigpassagen 90 und den oberen Zweigpassagen 90.
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Zusätzlich, wie in 2 gezeigt, verteilt in der Wasserstoffgasflusspassage 10A der stromerzeugenden Zelle 10, jede Zweigpassage 40 Wasserstoffgas zu der gleichen Menge von (acht) Hauptflusspassagen 43. In Folge dessen ist der integrierte Wert der Querschnittsfläche der (acht) Hauptflusspassagen 43 der Gleiche für jede Zweigpassage 40. Dies erlaubt den Zweigpassagen 40 nahezu den gleichen Druckverlust aufzuweisen.
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Wie schematisch in 13 gezeigt, fließt das Wasserstoffgas gleichmäßig in die Wasserstoffgasflusspassagen 10A (jede Zweigpassage 40) der stromerzeugenden Zelle 10 mit einer gleichmäßigen Menge an Strömung. Andererseits, wie zuvor beschrieben, strömt Wasserstoffgas in die Nebenstromflusspassagen 11A (siehe 12) der Endzelle 11 in einer Art und Weise, dass Wasserstoffgas, welches in die oberen Zweigpassagen 90 fließt, limitiert auf eine geringe Menge ist, um die Menge an Wasserstoffgas, welche in die unteren Zweigpassagen 90 strömt, zu erhöhen. Dafür strömt von den Abschnitten der Brennstoffzelle (insbesondere der Zweigpassagen 40 der stromerzeugenden Zelle 10, der unteren Zweigpassagen 90 der Endzelle 11, und der oberen Zweigpassagen 90 der Endzelle 11), in welche Wasserstoffgas aus der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 strömt, die größte Menge an Wasserstoffgas in die unteren Zweigpassagen 90 der Endzelle 11. In Folge dessen wird Wasser einfach in die Endzelle 11 aus der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 geleitet, wodurch der Eintritt von Wasser in die stromerzeugende Zelle 10 ordnungsgemäß limitiert wird.
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Wie in 10 gezeigt, haben die Endabschnitte der fünf unteren Zweigpassagen 90 der Endzelle 11, welche zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 (links in 10) angeordnet sind, ein oberes Ende E (insbesondere ein oberes Ende des Abschnitts, welcher die unteren Zweigpassagen 90 und die Durchgangsöffnung 31 verbindet). Das obere Ende E ist oberhalb des maximalen Wasserstandlevels W angeordnet. Folglich, wenn Wasser in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 eintritt und die Endzelle 11 (insbesondere ein Abschnitt, welcher die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 und die Nebenstromflusspassage 11A verbindet) erreicht, werden die oberen Zweigpassagen 90 von dem Wasser nicht erreicht, aber die Enden der unteren Zweigpassagen 90 werden erreicht, in welche große Mengen von Wasserstoffgas strömen mit einer hohen Geschwindigkeit. Die Strömung von Wasserstoffgas in die unteren Zweigpassagen 90 der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 wird genutzt, um Wasser aus der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die Nebenstromflusspassage 11A angemessen zu leiten.
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In der Endzelle 11 ist das obere Ende der Bodenwand der Durchgangsöffnung 111 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts oberhalb des maximalen Wasserstandlevels W angeordnet. Folglich, wenn Wasser in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 eintritt und die Endzelle 11 (Abschnitt, welcher die Nebenstromflusspassage 11A und die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 verbindet) erreicht, so trifft das Wasser die innere Kante des zweiten Trennelements 110 stromabwärts, welche die Durchgangsöffnung 110 definiert, und fällt abwärts in die Nebenstromflusspassage 11A. In der vorliegenden Ausführungsform fließt Wasser ordnungsgemäß, wenn es die Endzelle 11 durch die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 erreicht, in die Nebenstromflusspassage 11A ohne über die Endzelle 11 hinaus in Richtung der Seite stromabwärts zu strömen.
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Die vorliegende Ausführungsform hat die im Folgenden beschriebenen Vorteile.
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(1) Wenn Wasser in dem Wasserstoffgasrohr 17 oder dem Luftbefeuchter 20 produziert wird und in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 eintritt, so wird das Wasser durch Wasserstoffgas, welches von der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in die Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11 strömt, in die Nebenstromflusspassage 11A geleitet. Dieses limitiert den Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10. Zusätzlich ist der Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 der Endzelle 11 abwärts geweitet. Der Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 ist so geformt, dass die Bodenwand nach oben hervor steht, verglichen mit einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10. Dieses formt eine Struktur, in welcher Wasser einfach in die Nebenstromflusspassagen 11A der Endzellen 11 eintritt. Folglich ist der Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10 limitiert.
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(2) Die Wasserstoffgasleitungen sind mittels dem Stapelverteilerrohr 16 mit der Endzelle 11 verbunden, welche an einem Ende in Stapelrichtung D angeordnet ist. Folglich, wenn Wasser in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 von dem Wasserstoffgasrohr 17 eintritt, wird Wasser in die Nebenstromflusspassage 11A der Endzelle 11 geleitet, ohne die stromerzeugenden Zellen 10 zu erreichen. Dieses begrenzt den Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen 10 sicher.
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(3) In der Endzelle 11 ist das obere Ende der Bodenwand der Durchgangsöffnung 111 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts oberhalb des maximalen Wasserstandslevels W angeordnet. Folglich, wenn Wasser die Endzelle 11 durch die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 erreicht, tritt Wasser ordnungsgemäß in die Nebenstromflusspassage 11A ein, ohne über die Endzelle 11 hinaus in Richtung der Seite stromabwärts zu strömen.
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(4) Unter den Zweigpassagen 90 der Nebenstromflusspassagen 11A ist der Druckverlust der unteren Zweigpassagen 90, in welche Wasser einfach eintritt, verringert im Vergleich zu dem Druckverlust der oberen Zweigpassagen 90, in welche Wasser nicht einfach eintritt. In Folge dessen wird Wasser, wenn es in die unteren Zweigpassagen 90 geleitet wird, von der relativ großen Menge an Gas, welche in die Zweigpassagen 90 einströmt, einfach durch die unteren Zweigpassagen 90 gezwungen. Dieses limitiert Wasser, welches in den Zweigpassagen 90 verbleibt, erhält die Funktion Wasser in die Nebenstromflusspassagen 11A zu leiten.
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(5) Der Endabschnitt der obersten unteren Zweigpassagen 90, welche zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 angeordnet sind, hat ein oberes Ende, welches oberhalb des maximalen Wasserstandlevels W angeordnet ist. Folglich, wird die Strömung des Wasserstoffgases in die unteren Zweigpassagen 90 von der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 genutzt, um Wasser ordnungsgemäß in die Nebenstromflusspassagen 11A von der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 zu leiten.
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Abgeänderte Beispiele
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Die zuvor beschriebene Ausführungsform kann wie im Folgenden beschrieben abgeändert werden.
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Die Hauptflusspassagen 43 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts und des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts können wellenförmig und erweitert nebeneinander sein. Die Hauptflusspassagen 73 des ersten Trennelements 60 stromabwärts und des zweiten Trennelements 110 stromabwärts können sich gerade parallel erstrecken.
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Das obere Ende der Bodenwand der Durchgangsöffnung 111 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts kann unterhalb eines maximalen Wasserstandslevels W angeordnet sein oder kann auf Höhe des maximalen Wasserstandslevels W angeordnet sein.
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Solange wie die Endzelle 11 zumindest eine der „ersten Struktur“ und der „zweiten Struktur“ aufweist, können die Durchgangsöffnungen 81, 101, 111 der Endzelle 11, welche die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 ausbilden, eine Öffnung von beliebiger Form haben. In diesem Fall sind in der „ersten Struktur“ zumindest eine der Bodenwand der Durchgangsöffnung des zweiten Trennelements stromaufwärts und der Bodenwand der Durchgangsöffnung der Rahmenplatte der Endzelle abwärts versetzt, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zelle. Ebenfalls steht in diesem Fall in der „zweiten Struktur“ mindestens eine der Bodenwand der Durchgangsöffnung der Rahmenplatte der Endzelle und die Bodenwand der Durchgangsöffnung des zweiten Trennelements stromabwärts nach oben hervor, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zelle. Spezifische Beispiele von solch einer Brennstoffzelle werden im Folgenden beschrieben.
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Wie in 14 gezeigt, kann ein zweites Trennelement 120 stromaufwärts eine Durchgangsöffnung 121, welche die gleiche Form wie die Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts hat, haben. In 14 sind die Elemente, welche die gleiche Struktur wie die korrespondierenden Elemente der Endzelle 11 (siehe 11) der oben angeführten Ausführungsform haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben.
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Selbst mit dieser Struktur ist ein Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand abwärts versetzt ist, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10. Zusätzlich ist ein Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand nach oben hervorsteht, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10.
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Wie in 15 gezeigt, kann die Durchgangsöffnung 121 des zweiten Trennelements 120 stromaufwärts die gleiche Form wie die Durchgangsöffnung 31 des ersten Trennelements 30 stromaufwärts haben, und ein zweites Trennelement 130 stromabwärts kann eine Durchgangsöffnung 131 haben, welche die gleiche Form wie die Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts hat. In 15 sind die Elemente, welche die gleiche Struktur wie die korrespondierenden Elemente der Endzelle 11 (siehe 11) der oben beschriebenen Ausführungsform haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben.
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Selbst mit dieser Struktur ist ein Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand abwärts versetzt ist, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10. Zusätzlich bilden in dieser Struktur die inneren Kanten der Durchgangsöffnungen 121, 101, 131 die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 und stehen nicht in die Wasserstoffgaseinlasspassage 12 hervor. Dieses reduziert den Druckverlust der Wasserstoffgaseinlasspassage 12.
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Wie in 16 gezeigt, kann die Rahmenplatte 140 eine Durchgangsöffnung 141 haben, welche durch eine nach oben hervorstehende Bodenwand, welche die Durchgangsöffnung 141 bildet, verkleinert ist, im Vergleich zu der Durchgangsöffnung 51 der Rahmenplatte 50. Zusätzlich kann die Durchgangsöffnung 131 des zweiten Trennelements 130 stromabwärts die gleiche Form wie die Durchgangsöffnung 61 des ersten Trennelements 60 stromabwärts haben. In 16 sind Elemente, welche die gleiche Struktur wie korrespondierende Elemente der Endzelle 11 (siehe 11) der oben beschriebenen Ausführungsform haben, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Elemente werden nicht im Detail beschrieben.
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Selbst mit dieser Struktur ist ein Abschnitt stromaufwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand abwärts versetzt ist, im Vergleich zu den korrespondierenden Abschnitten der stromerzeugenden Zellen 10. Zusätzlich ist ein Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 in der Endzelle 11 so geformt, dass die Bodenwand nach oben hervorsteht, im Vergleich zu korrespondierenden Abschnitten der stromerzeugenden Zellen 10.
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Die Hauptflusspassagen 43, welche teilweise die Nebenstromflusspassagen 11A bilden, können unterschiedliche Breiten und unterschiedliche Höhen aufweisen, um unterschiedliche Querschnittsflächen zu haben. Dieses ermöglicht den Zweigpassagen, dass sie unterschiedliche Druckverluste aufweisen.
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Die Endzelle 11 kann eine Struktur haben, in welcher anstatt der Rahmenplatte 100, eine Platte oder Lage aus durchlässigem Material (z.B. Karbonlage mit der gleichen Struktur wie die Gasdiffusionslage) geformt ist, welche beidseitig von dem zweiten Trennelement 80 stromaufwärts und dem zweiten Trennelement 110 stromabwärts umgeben ist. Wenn in diesem Fall die Endzelle ausgelegt ist, um einen Durchlass von sowohl Wasserstoffgas als auch Luft zu ermöglichen, so können sich die Strömung von Wasserstoffgas und die Strömung von Luft in der Endzelle behindern. In Folge dessen kann Wasser nicht ordnungsgemäß eingeleitet und aus der Endzelle ausgeleitet werden. Folglich ist es in diesem Fall bevorzugt, dass zwei Endzellen an gegensätzlichen Seiten der stromerzeugenden Zellen 10 in Stapelrichtung D angeordnet sind, welche eine Endzelle, ausgelegt für den Durchlass von nur Wasserstoffgas, und eine Endzelle, ausgelegt für den Durchlass von nur Luft, umfasst.
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Das obere Ende des Endabschnitts der unteren Zweigpassagen 90, welches zu der Wasserstoffgaseinlasspassage 12 angeordnet ist, kann unterhalb des maximalen Wasserstandslevel W angeordnet sein oder kann auf der Höhe des maximalen Wasserstandslevel W angeordnet sein.
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Das zweite Trennelement stromabwärts der Endzelle kann eine Grundstruktur aufweisen, welche ein Spiegelbild der Form des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts ist. Zum Beispiel können von den Zweigpassagen des zweiten Trennelements stromabwärts, die unteren der Zweigpassagen einen kleineren Druckverlust als die oberen der Zweigpassagen aufweisen. Mit dieser Struktur, wenn eine Brennstoffzelle eine Struktur hat, in welcher Wasser in die Lufteinlasspassage von der Luftleitung eintreten kann, so wird das Wasser in die Nebenstromflusspassagen durch Luft, welche von der Lufteinlasspassage in die Nebenstromflusspassage strömt, geleitet. Folglich ist der Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen limitiert. Zusätzlich wird Wasser, wenn es in die unteren Zweigpassagen der Endzelle geleitet worden ist, von einer relativ großen Menge an Gas, welches in die Zweigpassagen strömt, einfach durch die Zweigpassagen gezwungen. Dieses limitiert den Verbleib von Wasser in den Zweigpassagen und erhält die Funktion Wasser in die Nebenstromflusspassagen zu leiten.
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Von den Zweigpassagen 90, welche die Nebenstromflusspassagen 11A der Endzelle 11 bilden, können die oberen Zweigpassagen 90 und die unteren Zweigpassagen 90 den gleichen Druckverlust aufweisen.
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Die gleiche Struktur wie die „erste Struktur“ und die „zweite Struktur“, welche für die Wasserstoffgaseinlasspassage angewandt wird, kann auch für die Lufteinlasspassage 13 angewandt werden.
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In einem Beispiel der „ersten Struktur“, welche auf die Lufteinlasspassage 13 angewandt ist, ist die Durchgangsöffnung 33 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts abwärts geweitet, im Vergleich zu der Durchgangsöffnung 33 des ersten Trennelements 30 stromabwärts, und ebenso die Durchgangsöffnung 53 der Rahmenplatte 100 ist abwärts geweitet im Vergleich zu der Durchgangsöffnung 53 der Rahmenplatte 50. Dieses bildet eine Struktur, in welcher die Bodenwand der Durchgangsöffnung 33 des zweiten Trennelements 80 stromaufwärts (d.h. ein Abschnitt, welcher zu der Bodenwand der Lufteinlasspassage 13 korrespondiert), welche an einer Seite stromaufwärts in einer Richtung der Luftströmung angeordnet ist, und die Bodenwand der Durchgangsöffnung 33 der Rahmenplatte 100 sind abwärts versetzt, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen 10.
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In einem Beispiel der „zweiten Struktur“, angewandt auf die Lufteinlasspassage 13, ist die Durchgangsöffnung 63 des zweiten Trennelements 110 stromabwärts verkleinert, im Vergleich zu der Durchgangsöffnung 63 des ersten Trennelements 60 stromabwärts durch die nach oben hervorstehende Bodenwand, welche die Durchgangsöffnung 63 bildet. Diese bildet eine Struktur, in welcher die Bodenwand der Durchgangsöffnung 63 des zweiten Trennelements 110 (d.h. ein Abschnitt, welcher mit der Bodenwand der Lufteinlasspassage 13 korrespondiert), welcher an einer Seite stromabwärts in Richtung der Luftströmung angeordnet ist, nach oben hervorsteht, im Vergleich zu einem korrespondierenden Abschnitt der stromerzeugenden Zellen (insbesondere der Bodenwände der Durchgangsöffnungen 63 der ersten Trennelemente 60 stromabwärts).
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Wenn die Lufteinlasspassage 13 die „erste Struktur“ und die „zweite Struktur“ umfasst und wenn Wasser in die Lufteinlasspassage 13 eintritt, tritt das Wasser einfach in die Nebenstromflusspassage 11B der Endzelle 11 ein. Folglich ist der Eintritt von Wasser in die stromerzeugenden Zellen limitiert.
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Wenn die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Endzellen umfasst, kann die Endzelle 11 der Brennstoffzelle der zuvor beschriebenen Ausführungsform auf einige der Vielzahl von Endzellen angewandt werden.
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Zwei oder mehr Endzellen 11 können an den jeweiligen Enden der stromerzeugenden Zellen 10 in Stapelrichtung D angeordnet werden.
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Die Brennstoffzelle der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann ebenfalls auf eine Brennstoffzelle angewendet werden, in welcher die Endzelle an nur einem Ende in Stapelrichtung D der stromerzeugenden Zellen 10 angeordnet ist.
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Die Brennstoffzelle der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann ebenfalls angewandt werden auf eine Brennstoffzelle, in welcher der Luftbefeuchter 20 nicht in dem Wasserstoffgasrohr 17 angeordnet ist.
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Die Brennstoffzelle der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist nicht auf eine Brennstoffzelle limitiert, welche in einem elektrischen Auto installiert ist und kann auf eine Brennstoffzelle angewandt werden, welche unbeweglich am Boden befestigt ist wie eine Wohnsitzbrennstoffzelle.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind anschaulich gemeint und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen limitiert. Verschiedene Alternativen, Abänderungen und Variationen sind möglich für die offenbarten beispielhaften Ausführungsformen ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung mit weniger Merkmalen als alle Merkmale der speziellen offenbarten Ausführungsformen existieren. Die Ansprüche sind in die detaillierte Beschreibung eingearbeitet und jeder Anspruch beansprucht für sich eine eigenständige Ausführungsform. Es ist beabsichtigt, dass der Rahmen der Erfindung alle diese Alternativen, Abänderungen und Modifikationen sowie alle Äquivalente hieraus innerhalb des Rahmens der Ansprüche umfasst.
