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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle. Im
Speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Brennstoffzellenstapelstruktur.
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Wie
in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2002-124291 dargestellt ist, und wie in 16 und 17 dargestellt
ist, hat eine Brennstoffzelle, zum Beispiel ein Polymerelektrolytbrennstoffzellengerät (PEFC) 10 eine
Lagenstruktur einer Membranelektrodenbaugruppe (MEA) und eines Trennelements 18.
Die Lagerichtung kann in jeder Richtung sein.
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Die
MEA hat eine Elektrolytmembran 11, die aus einer Ionenaustauschmembran
gemacht ist, und ein Paar Elektroden, das eine Anode 14,
die an einer Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Kathode 15 hat,
die an der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist. Eine
Diffusionslage 13 kann zwischen der Anode und dem Trennelement 18 angeordnet
sein, und eine Diffusionslage 16 kann zwischen der Kathode
und dem Trennelement 18 angeordnet sein.
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Ein
erstes Trennelement 18, das an einer Seite der MEA angeordnet
ist, hat eine Brenngaspassage 27, die in ihm ausgebildet
ist, für
ein Zuführen von
Brenngas (Wasserstoff) zu der Anode 14, und ein zweites
Trennelement 18, das an der anderen Seite der MEA angeordnet
ist, hat eine Oxidationsgaspassage 28 für Zuführen von Oxidationsgas (Sauerstoff, gewöhnlich Luft)
zu der Kathode 17. Das erste und zweite Trennelement 18 haben
eine Kühlmittelpassage 26 an
gegenüberliegenden
Seiten der Brenngaspassage 27 und der Oxidationsgaspassage 28.
Um die Fluidpassagen 26, 27 und 28 zueinander
abzudichten, ist eine Kautschukdichtung 32 zwischen angrenzenden
Brennstoffzellen angeordnet und eine Klebedichtung 33 ist
zwischen den Trennelementen 18 vorgesehen, die an gegenüberliegenden
Seiten der MEA von jeder Brennstoffzelle angeordnet sind.
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Wenigstens
eine (maximal drei) Brennstoffzellen 19 bildet ein Modul.
Eine Anzahl von Modulen wird gestapelt, und elektrische Anschlüsse 20,
elektrische Isolierelemente 21 und Endplatten 22 sind
bei gegenüberliegenden
Enden des Stoßes
von Modulen angeordnet, um einen Stapel von Brennstoffzellen (einen
Brennstoffzellenstapel) 23 zu bilden. Nach Festziehen des
Stapels von Brennstoffzellen zwischen den Endplatten 22 in
der Brennstoffzellenstapelrichtung, werden die Endplatten 22 an
ein Befestigungselement 24 gekoppelt (zum Beispiel einer Spannplatte),
das sich in der Brennstoffzellenstapelrichtung außerhalb
des Stoßes
von Modulen erstreckt, durch Bolzen bzw. Schrauben oder Muttern 25.
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In
dem PEFC ändert
sich Wasserstoff zu positiv geladenen Wasserstoffionen (das heißt Protonen)
und Elektronen bei der Anode 14. Die Wasserstoffionen bewegen
sich durch die Elektrolytmembran 11 zu der Kathode 17,
wo die Wasserstoffionen mit zugeführtem Sauerstoff und Elektronen
reagieren (die bei einer Anode einer angrenzenden MEA erzeugt werden
und sich zu der Kathode 17 der momentanen MEA durch ein
Trennelement bewegen, oder die bei einer Anode einer Brennstoffzelle
erzeugt werden, die bei einem Ende des Brennstoffzellenstapels gelegen
ist, und sich zu der Kathode 17 der momentanen Brennstoffzelle
hin bewegen, die bei dem anderen Ende des Brennstoffzellenstapels gelegen
ist, durch einen externen elektrischen Schaltkreis), um Wasser wie
folgt auszubilden:
Bei der Anode: H2 → 2H+ + 2e–
Bei der Kathode:
2H+ + 2e– +
(1/2)O2 → H2O
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In
dem herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel werden die Module wie folgt gehalten:
Eine
Feder 34, ein Neigungsabschnitt 35 und eine Einstellschraube 36 sind
bei einem Ende des Stapels von Brennstoffzellen 23 vorgesehen.
Jedes Modul des Stapels 23 wird in der Brennstoffzellenstapelrichtung
durch eine konstante Kraft gehalten, die durch die Feder 34 erzeugt
wird, und wird in einer Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung durch
eine Reibungskraft gehalten, die als eine Federkraft multipliziert
mit einem Reibungskoeffizient definiert ist.
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Um
die Module noch sicherer zu halten, ist es denkbar, einen Raum zwischen
der Seitenfläche des
Stoßes
von Modulen und der Spannplatte mit einem externen Beschränkungselement
zu füllen,
um den Stoß von
Modulen von der Außenseite
zu beschränken.
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Jedoch
existieren die folgenden Probleme bei dem zuvor beschriebenen Brennstoffzellenstapel:
- i) Wenn eine Stoßkraft mit einer Beschleunigung (α) von mehreren
zwanzig G (G: Gravitationsbeschleunigung) auf den Stapel von Brennstoffzellen
mit einer Masse M in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
wirkt, wird eine Scherkraft nahe dem Ende des Stapels von Brennstoffzellen
erzeugt. Wenn die Scherkraft die Federkraft multipliziert mit einem
Reibungskoeffizienten übersteigt,
tritt ein Gleiten zwischen den Modulen nahe dem Ende des Stapels
der Brennstoffzellen auf, das begleitet wird durch eine Demontage
des Stapels von Brennstoffzellen.
- ii) In dem Fall wo die Module von der Außenseite durch das externe
Beschränkungselement
gehalten werden, wenn die MEA und die Diffusionslagen der Brennstoffzelle
ein Kriechen verursachen, das die Federkraft aufnimmt, und die Brennstoffzelle
nahe dem Ende des Brennstoffzellenstapels sich in der Brennstoffzellenstapelrichtung
relativ zu dem externen Beschränkungselement
bewegt, beeinflusst die Brennstoffzelle das externe Beschränkungselement
störend,
das auch beschädigt wird.
Wenn die Federkraft klein gemacht wird, um einen Kriechbetrag zu
verringern, ist es schwierig, einen notwendigen Kontaktdruck zwischen
den Brennstoffzellen sicherzustellen.
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Ein
erstes Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird,
ist das Problem der Demontage des Stapels nahe dem Ende des Stapels,
das auftritt, wenn eine Stoßkraft
mit einer Beschleunigung in einer Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
auf den Stapel wirkt.
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Ein
zweites Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird,
ist das Problem der Beschädigung
der Brennstoffzelle, das in dem Stapel auftreten kann, der ein externes
Beschränkungs- bzw. Befestigungselement
hat, wenn die Brennstoffzelle nahe dem Ende des Stapels sich relativ
zu dem externen Beschränkungselement
aufgrund von Kriechen der MEA und der Diffusionslage bewegt.
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Eine
erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel
vorzusehen, der verhindern kann, dass ein Brennstoffzellenstapel
aufgrund eines Gleitens zwischen Modulen nahe einem Ende des Stapels
demontiert wird, sogar dann, wenn ein Stoß mit einer Beschleunigung
mit einer Richtung senkrecht zu einer Brennstoffzellenstapelrichtung
auf den Stapel wirkt.
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Eine
zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Brennstoffzellenstapel
vorzusehen, der verhindern kann, dass ein Stapel von Brennstoffzellen
demontiert wird, sogar dann, wenn eine Stoßkraft auf den Stapel wirkt,
und der, wenn ein externes Beschränkungselement vorgesehen ist,
keine Beeinträchtigung
der Brennstoffzelle mit dem externen Beschränkungselement nahe einem Ende
des Stapels verursacht.
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Ein
Brennstoffzellenstapel gemäß den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, der die vorstehende und andere Aufgaben
löst, ist
wie folgt beschrieben:
- (1) Der Brennstoffzellenstapel
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hat eine Vielzahl von Mehrzellenmodulen,
die in Reihe gestapelt sind, und ein Beschränkungselement.
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Jedes
der Vielzahl von Mehrzellenmodulen hat eine Vielzahl von Brennstoffzellen,
die in einer Brennstoffzellenstapelrichtung übereinander geschichtet sind,
und hat gegenüberliegende
Endbrennstoffzellen bei gegenüberliegenden
Enden der Vielzahl von geschichteten Brennstoffzellen.
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Das
Beschränkungselement
beschränkt
jede der Vielzahl von Mehrzellenmodulen bei den gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem der Vielzahl von Mehrzellenmodulen.
- (2) Das Beschränkungselement beschränkt jede der
Vielzahl von Brennstoffzellen in einer Richtung senkrecht zu der
Brennstoffzellenstapelrichtung.
- (3) Die Brennstoffzelle kann des weiteren ein Verbindungselement
für ein
Verbinden benachbarter Mehrzellenmodule der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
miteinander bei dem gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von benachbarten Mehrzellenmodule haben.
- (4) Jede der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jeder der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
ist eine Dummy-Brennstoffzelle,
die keine elektrische Energie erzeugt.
- (5) Jede der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
hat einen verlängerten
Abschnitt, der durch Verlängern
von jeder der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen
von jedem von der Vielzahl von Mehrzellenmodulen nach außen in einer Richtung
senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung von jedem der Vielzahl
von Mehrzellenmodulen ausgebildet ist. Jedes der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
wird durch das Beschränkungselement
in der Richtung senkrecht zu einer Brennstoffzellenstapelrichtung
von jedem der Vielzahl von Mehrzellenmodulen bei dem verlängerten
Abschnitt beschränkt.
- (6) Der verlängerte
Abschnitt hat ein Loch, das in ihm ausgebildet ist, und das Beschränkungselement
ist ein Beschränkungsschaft,
die sich durch das Loch erstreckt, der in dem verlängerten
Abschnitt ausgebildet ist.
- (7) Der Beschränkungsschaft
ist ein Brennstoffzellenstapelfestziehschaft.
- (8) Das Verbindungselement ist ein Element, das von dem Beschränkungselement
verschieden ist.
- (9) Das Verbindungselement kann ein Clip sein.
- (10) Das Verbindungselement kann ein Bolzen bzw. Schraube oder
eine Niet sein.
- (11) Das Verbindungselement kann ein Ohrabschnitt sein, der
in einem verlängerten
Abschnitt einer Endbrennstoffzelle eines ersten Mehrzellenmoduls
ausgebildet ist. Der Ohrabschnitt ist gebogen, um einen verlängerten
Abschnitt einer Endbrennstoffzelle eines zweiten benachbarten Mehrzellenmoduls
zu halten.
- (12) Der verlängerte
Abschnitt und der Beschränkungsschaft
können
durch ein elektrisches Isolierelement elektrisch voneinander isoliert
sein.
- (13) Das elektrische Isolierelement kann eine Buchse sein, die
an dem Loch befestigt ist, das in dem verlängerten Abschnitt von jeder
der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen ausgebildet ist.
- (14) Die Buchse hat einen Flansch, um zu verhindern, dass die
Buchse sich von dem verlängerten Abschnitt
löst.
- (15) Das elektrische Isolierelement kann ein zylindrisches Element
sein, das durch den Beschränkungsschaft
abgestützt
wird.
- (16) Der Brennstoffzellenstapel kann des weiteren ein Verformungsverhinderungselement
haben, das zwischen verlängerten
Abschnitten der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
angeordnet ist, um zu verhindern, dass die verlängerten Abschnitte der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem von der Vielzahl von Mehrzellenmodulen
innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung verformt werden.
- (17) Das Verformungsverhinderungselement hat ein elastisches
Element.
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Mit
Bezug auf einen Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung,
werden die folgenden technischen Vorteile erhalten:
Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
der vorstehenden Punkte (1) bis (3), da der Brennstoffzellenstapel in
eine Vielzahl von Mehrzellenmodulen unterteilt ist, und jedes Mehrzellenmodul
in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
bei den gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem Mehrzellenmodul beschränkt wird,
sind eine Trägheitsquerkraft
von jedem Mehrzellenmodul und eine Scherkraft, die auf jedes Mehrzellenmodul
aufgebracht wird, 1/n von denjenigen der herkömmlichen Brennstoffzellenstapel,
wobei n eine Anzahl von Unterteilungen des Stapels in die Vielzahl
von Mehrzellenmodulen ist. Genauer gesagt, wirkt in dem herkömmlichen
Stapel eine Querkraft von (M α)
auf den gesamten Abschnitt des Stapels, wobei M eine Masse des Stapels
und α eine
Beschleunigung einer Stoßkraft
in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
ist, und deshalb wirkt eine Scherkraft S von (M α)/2 auf die Endbrennstoffzelle des
Stapels. Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Erfindung eine
Querkraft, die auf jedes Mehrzellenmodul wirkt, (M α)/n, und
eine Scherkraft von jedem Mehrzellenmodul ist S/n. Als eine Folge
kann jedes Mehrzellenmodul einem hohen G standhalten (Erdbeschleunigung).
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Des
weiteren muss eine Federkraft, die auf jedes Mehrzellenmodul in
der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgebracht wird, nicht so groß sein wie
die Kraft, die in dem herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel erfordert ist, die eine Reibungskraft erzeugt,
die der Scherkraft von (M α)/2
standhalten kann. Die Federkraft, die auf jedes Mehrzellenmodul
in der Brennstoffzellenstapelrichtung der vorliegenden Erfindung aufgebracht
wird, kann auf eine Kraft verringert werden, die den elektrischen
Widerstand in dem Stapel klein hält.
Als eine Folge wird ein Kriechbetrag des Stapels in der Brennstoffzellenstapelrichtung
auch verringert.
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Des
weiteren, da der Brennstoffzellenstapel in eine Vielzahl von Mehrzellenmodulen
unterteilt ist, konzentriert sich eine Verschiebung des Brennstoffzellenstapels
in der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgrund des Kriechens der
MEA und der Diffusionslage nicht auf die Endbrennstoffzelle des
Stapels, wie in dem herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel. Die Verschiebung einer Brennstoffzelle wird
auf alle die Mehrzellenmodule verteilt. Als eine Folge wird eine Verschiebung
in der Brennstoffzellenstapelrichtung von jedem Mehrzellenmodul
um ein großes
Maß verringert,
verglichen mit der Verschiebung der Endbrennstoffzelle des herkömmlichen
Stapels. Zusätzlich,
da der Kriechbetrag selbst aufgrund einer Verringerung der Federkraft
klein ist, ist die Verschiebung einer Brennstoffzelle von jedem
Mehrzellenmodul gering.
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Des
weiteren, da eine Struktur, wo die Mehrzellenmodule bei einer gesamten
Seitenfläche
durch ein externes Beschränkungselement
zurückgehalten werden,
nicht angewendet wird, beeinflusst die Brennstoffzelle des Mehrzellenmoduls
das externe Beschränkungselement
nicht störend,
um dieses zu beschädigen,
sogar dann nicht, wenn sich die Brennstoffzelle des Mehrzellenmoduls
in der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgrund einer thermischen
Ausdehnung bewegt.
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Des
weiteren, da die zuvor beschriebene Struktur, wo die Mehrzellenmodule
bei einer gesamten Seitenfläche
durch ein externes Beschränkungselement
beschränkt
werden, nicht angewendet wird, muss ein Raum für das externe Beschränkungselement
und für
einen Modulrahmen nicht vorgesehen werden, und die Brennstoffzelle
kann deshalb kompakt und leicht sein. Aufgrund des leichter gemachten
Stapels ist eine Gegenmaßnahme
für eine
Stoßkraft
mit einem hohen G leicht vorgesehen. Aufgrund der Entfernung des
Modulrahmens ist ein Koppeln eines Zellenspannungswächters an
die Brennstoffzelle leicht.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
des vorstehenden Punkts (4), da die Endbrennstoffzelle des Mehrzellenmoduls
eine Dummy-Brennstoffzelle
ist, kann die Endbrennstoffzelle entworfen sein, um eine Bedingung
für ein
Strukturelement unabhängig
von einer Energieerzeugungsbedingung zu genügen. Deshalb kann die Endbrennstoffzelle
einen Querstoß mit
einer ausreichenden Festigkeit und Zuverlässigkeit standhalten.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
des vorstehenden Punkts (5), da die Endbrennstoffzelle des Mehrzellenmoduls
nach außen
verlängert
ist, und die Mehrzellenmodule in einer Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
bei dem verlängerten Abschnitt
beschränkt
sind, ist es nicht notwendig erhebliche Designänderungen an dem Brennstoffzellenstapel
des Mehrzellenmoduls vorzunehmen.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
des vorstehenden Punkts (6), da der verlängerte Abschnitt ein Loch hat,
und sich ein Beschränkungsschaft durch
das Loch erstreckt, kann das Mehrzellenmodul in der Richtung senkrecht
zu der Brennstoffzellenstapelrichtung mit ausreichender Festigkeit
und Zuverlässigkeit
abgestützt
werden.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
des vorstehenden Punkts (7), da der Beschränkungsschaft allgemein als
ein Befestigungsschaft des Brennstoffzellenstapels verwendet wird,
muss für
den Beschränkungsschaft
kein Schaft vorgesehen werden, der von dem Befestigungsschaft verschieden
ist, was die Struktur des Brennstoffzellenstapels vereinfacht und
die Anzahl der Teile des Brennstoffzellenstapels verringert.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
des vorstehenden Punkts (8), da die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen
der benachbarten Mehrzellenmodule miteinander durch das Verbindungselement verbunden
sind, das ein Element ist, das von dem Beschränkungsschaft verschieden ist,
haben die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen eine erhöhte Steifigkeit.
Wenn eine Kautschukdichtung zwischen den gegenüberliegenden Brennstoffzellen
angeordnet ist und zwischen diesen festgemacht ist, können die
gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen eine notwendige Dichtkraft auf die Kautschukdichtung aufbringen,
ohne in einer Richtung weg von der Kautschukdichtung verformt zu
werden. Da die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen mittels des Verbindungselements erhöht sind,
müssen
die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen nicht in der Dicke erhöht werden. Als eine Folge können die
gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen in der Dicke verringert werden und können leichter
gemacht werden. Aufgrund der leichter gemachten Endbrennstoffzellen
ist eine Gegenmaßnahme
für eine
Stoßkraft
mit einem hohen G leicht vorgesehen.
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Varstehende
Punkte (9), (10) und (11) offenbaren verschiedene Beispiele des
Verbindungselements.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
der vorstehenden Punkte (12), (13), (14) und (15), da die Endbrennstoffzelle
und der Beschränkungsschaft, der
sich durch das Loch erstreckt, das in der Endbrennstoffzelle ausgebildet
ist, elektrisch voneinander durch ein elektrisches Isolierelement
getrennt sind, kann ein Karbontrennelement oder ein Metalltrennelement
für die
Endbrennstoffzelle verwendet werden. In einem Fall, wo der verlängerte Abschnitt der
Endbrennstoffzelle aus einem synthetischen Harz gemacht ist, muss
das elektrische Isolierelement nicht zwischen der Endbrennstoffzelle
und dem Beschränkungsschaft
vorgesehen sein.
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Gemäß dem Brennstoffzellenstapel
der vorstehenden Punkte (16) und (17), da ein Verformungsverhinderungselement
zwischen den verlängerten Abschnitten
der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen des Mehrzellenmoduls angeordnet ist, wird verhindert,
dass die verlängerten
Abschnitte der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen des Mehrzellenmoduls sich innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
verformen. Als eine Folge kann das Mehrzellenmodul eine gleichmäßige Verschiebung
bewirken.
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Der
Brennstoffzellenstapel der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Mehrzellenmoduls des Brennstoffzellenstapels
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
ausgearbeitete, perspektivische Ansicht einer Endbrennstoffzelle
des Mehrzellenmoduls des Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
ausgearbeitete, perspektivische Ansicht des Mehrzellenmoduls des
Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
Seitenansicht von benachbarten Mehrzellenmodulen eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist, wobei die Mehrzellenmodule durch ein Verbindungselement
in Form eines Clips verbunden sind;
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6 eine
Vorderansicht des Mehrzellenmoduls von 5 ist;
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7 eine
Seitenansicht eines Abschnitts des Mehrzellenmoduls von 5 ist,
die eine Beziehung zwischen einer Kautschukdichtungsabdichtung und
einer Klebeabdichtung zeigt;
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8 eine
Seitenansicht von benachbarten Mehrzellenmodulen eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung ist, wobei die Mehrzellenmodule durch ein Verbindungselement
in Form eines Bolzens bzw. einer Schraube oder einer Niet verbunden
sind;
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9 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX von 8 ist;
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10 eine
Seitenansicht einer Vielzahl von Mehrzellenmodulen eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei die Mehrzellenmodule durch ein
Verbindungselement in Form eines gebogenen Ohrs verbunden sind;
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11 eine
Seitenansicht ist, die teilweise im Querschnitt gezeigt ist, von
Abschnitten benachbarter Mehrzellenmodule eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Mehrzellenmodule durch ein Verbindungselement
in Form einer Buchse verbunden sind;
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12 eine
Seitenansicht ist, die teilweise im Querschnitt gezeigt ist, von
Abschnitten benachbarter Mehrzellenmodule eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Mehrzellenmodule ein elektrisches Isolierelement
in Form einer Buchse haben;
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13 eine
Querschnittsansicht ist, die teilweise in einer Seitenansicht gezeigt
ist, eines Mehrzellenmoduls eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer
siebten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei das Mehrzellenmodul ein Verformungsverhinderungselement
gemäß einem
ersten Beispiel hat;
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14 eine
Querschnittsansicht ist, die teilweise in einer Seitenansicht gezeigt
ist, eines Mehrzellenmoduls des Brennstoffzellenstapels gemäß der siebten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei das Mehrzellenmodul ein Verformungsverhinderungselement
gemäß einem
zweiten Beispiel hat;
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15 eine
Querschnittsansicht einer Einheitsbrennstoffzelle eines Mehrzellenmoduls
eines Brennstoffzellenstapels gemäß jeder Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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16 eine
Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Brennstoffzelle ist; und
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17 eine
Querschnittsansicht eines herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels ist.
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Ein
Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden
Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 15 beschrieben.
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1 bis 4 zeigen
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; 5 bis 7 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; 8 und 9 zeigen
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; 10 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; 11 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; 12 zeigt eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und 13 und 14 zeigen
eine siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 15 ist
auf jede Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anwendbar.
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Abschnitte,
die allgemein (gemeinsam oder gleich) in allen den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen
in allen den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
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Zuerst
werden Abschnitte, die allgemein in allen den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind, mit Bezug auf 1 bis 4 und 15 erklärt.
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Eine
Brennstoffzelle 10, die zu einem Brennstoffzellenstapel
gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammengebaut ist, ist eine Brennstoffzelle eines Niedrigtemperaturtyps
und genauer gesagt eine Brennstoffzelle eines PEFC-Typs. Die Brennstoffzelle 10 ist
zum Beispiel an einem Fahrzeug montiert. Jedoch kann die Brennstoffzelle 10 in
einer Umgebung verwendet werden, die anders ist als ein Fahrzeug.
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Die
PEFC 10 hat eine MEA und ein Trennelement 18,
das auf die MEA gelegt ist. Die Lagerichtung kann jede Richtung
sein, eingeschlossen einer Vertikalrichtung, einer Horizontalrichtung
und einer schrägen
Richtung.
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Wie
in 15 gezeigt ist, hat die MEA eine Elektrolytmembran 11,
die aus einer Ionenaustauschmembran gemacht ist, und ein Paar Elektroden,
das eine Anode 14, wobei die Anode eine erste katalytische
Lage 12 hat, die an einer Seite der Elektrolytmembran 11 angeordnet
ist, und eine Kathode 17 umfassen, wobei die Kathode eine
zweite katalytische Lage 15 hat, die an der anderen Seite
der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist. Eine erste Diffusionslage 13 kann
zwischen der ersten katalytischen Lage 12 und dem Trennelement 18 angeordnet
sein, und eine zweite Diffusionslage 16 kann zwischen der
zweiten katalytischen Lage 16 und dem Trennelement 18 angeordnet
sein.
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Das
Trennelement 18 kann irgendeines von einem Trennelement
sein, das aus Karbon (nachstehend ein Karbontrennelement) gemacht
ist, einem Trennelement, das aus Metall (nachstehend ein Metalltrennelement)
gemacht ist, einem Trennelement, das aus einem elektrisch leitenden,
synthetischen Harz gemacht ist, einer Kombination aus einem Karbontrennelement
und einem synthetischem Harzrahmen, und einer Kombination von diesen
sein.
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Ein
erstes Trennelement 18, das an einer Anodenseite des MEA
angeordnet ist, hat eine Brenngaspassage 27, die in ihm
ausgebildet ist, bei einer ersten MEA gegenüberliegenden Fläche des
ersten Trennelements für
ein Zuführen
von Brenngas (Wasserstoff) zu der Anode 14 und eine Kühlmittelpassage
(Kühlwasserpassage) 26,
die in ihm bei einer zweiten gegenüberliegenden Fläche des
ersten Trennelements ausgebildet ist. Ein zweites Trennelement 18,
das an der Kathodenseite der MEA angeordnet ist, hat eine Oxidationsgaspassage 28,
die in ihm bei einer ersten MEA gegenüberliegenden Fläche des
zweiten Trennelements für
ein Zuführen
von Oxidationsgas (Sauerstoff, gewöhnlich Luft) zu der Kathode 17 ausgebildet
ist, und eine Kühlmittelpassage
(Kühlwasserpassage) 26,
die in ihm bei einer zweiten gegenüberliegenden Fläche des
zweiten Trennelements ausgebildet ist. Die Brenngaspassage 27 und
die Oxidationsgaspassage 28 bilden eine Reaktantgaspassage.
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Jedes
von dem ersten und zweiten Trennelement 18 hat Einlass- und Auslassbrenngasleitungen 30 in
Fluidverbindung (Verbindung) mit der Brenngaspassage 27,
Einlass- und Auslassoxidationsgasleitungen 31 in Fluidverbindung
(Verbindung) mit der Oxidationsgaspassage 28, und Einlass-
und Auslasskühlmittelleitungen 29 in
Fluidverbindung (Verbindung) mit der Kühlmittelpassage 26.
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Ein
Brenngaszufuhrrohr und ein Brenngasauslassrohr sind mit den Einlass-
bzw. Auslassleitungen 30 Fluid-verbunden (verbunden), und
Brenngas strömt
von dem Brenngaszufuhrrohr mittels der Einlassbrenngasleitung 30 zu
der Brenngaspassage 27, und von der Brenngaspassage 27 mittels
der Auslassbrenngasleitung 30 zu dem Brenngasauslassrohr.
Ein Oxidationsgaszufuhrrohr und ein Oxidationsgasauslassrohr sind
mit den Einlass- bzw. Auslassgasleitungen 31 Fluid-verbunden
(verbunden), und Oxidationsgas strömt von dem Oxidationsgaszufuhrrohr über die
Einlassoxidationsgasleitung 31 zu der Oxidationsgaspassage 28,
und von der Oxidationsgaspassage 28 über die Auslassoxidationsgasleitung 31 zu
dem Oxidationsgasauslassrohr. Ein Kühlmittelzufuhrrohr und ein
Kühlmittelauslassrohr
sind mit den Einlass- bzw. Auslasskühlmittelleitungen 29 Fluid-verbunden
(verbunden), und Kühlmittel
strömt von
dem Kühlmittelzufuhrrohr über die
Einlasskühlmittelleitung 29 zu
der Kühlmittelpassage 26,
und von der Kühlmittelpassage 26 über die
Auslasskühlmittelleitung 29 zu
dem Kühlmittelauslassrohr.
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Das
Brenngaszufuhrrohr, das Brenngasauslassrohr, das Oxidationsgaszufuhrrohr,
das Oxidationsgasauslassrohr, das Kühlmittelzufuhrrohr und das
Kühlmittelauslassrohr
sind an einer Seite des Brennstoffzellenstapels in der Brennstoffzellenstapelrichtung
gelegen.
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Die
Fluidpassagen 26, 27, 28, 29, 30, 31 sind durch
Dichtungen 32 und 33 so abgedichtet, dass Brenngas,
Oxidationsgas und Kühlmittel
nicht miteinander vermischt werden und nicht in die Umgebung entweichen.
Die Dichtung 32 ist eine Kautschukdichtung (Kautschukdichtring)
und die Abdichtung 33 ist eine Klebedichtung (Klebemittel).
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Die
MEA und das erste und zweite Trennelement, die an gegenüberliegenden
Seiten der MEA angeordnet sind, bilden eine Einheitsbrennstoffzelle 19 (nachstehend
Brennstoffzelle). Eine Vielzahl von Brennstoffzellen (vorzugsweise
5 bis 30 Brennstoffzellen und noch bevorzugter 10 bis 30 Brennstoffzellen),
sind geschichtet und im Allgemeinen durch das Klebemittel 33 aneinander
angeklebt. Diese Vielzahl von Brennstoffzellen bilden die Mehrzellenbaugruppe 41.
Die Mehrzellenbaugruppe 41 und gegenüberliegende Endbrennstoffzellen 42,
die an gegenüberliegenden
Enden der Mehrzellenbaugruppe angeordnet sind, bilden ein Mehrzellenmodul 40. 3 und 4 stellen
das Mehrzellenmodul 40 dar. In einem Fall, wo die einzelnen
Brennstoffzellen der Mehrzellenbaugruppe 41 durch das Klebemittel 33 aneinander
festgeklebt sind, ist die Mehrzellenbaugruppe 41 einstückig und
kann nicht in einzelne Brennstoffzellen demontiert werden. In einem
Fall, wo die einzelnen Brennstoffzellen der Mehrzellenbaugruppe durch
die Kautschukdichtung 32 abgedichtet sind, kann die Mehrzellenbaugruppe
in einzelne Brennstoffzellen demontiert werden.
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Wie
in 1 gezeigt ist, sind die Mehrzellenmodule 40 in
Reihe in der Brennstoffzellenstapelrichtung (Modulstapelrichtung)
gestapelt, um eine Vielzahl von Mehrzellenmodulen, Anschlüssen 20,
elektrischen Isolierelementen 21 und Endplatten 22 auszubilden,
von denen alle an gegenüberliegenden
Enden der Vielzahl von Mehrzellenmodulen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
gelegen sind, um einen Brennstoffzellenstapel 23 zu bilden.
Nach Festziehen des Brennstoffzellenstapels 23 in der Brennstoffzellenstapelrichtung,
wird der Brennstoffzellenstapel 23 durch Koppeln eines
Bolzens bzw. Schraube oder einer Mutter 25 an ein Befestigungselement 24 befestigt,
das sich in der Brennstoffzellenstapelrichtung über alle die Mehrzellenmodule 40 erstreckt.
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Das
Befestigungselement 24 kann zum Beispiel eine Vielzahl
von Befestigungsschäften
bzw. -säulen
haben. Das Befestigungselement hat wenigstens vier Befestigungsschäfte, vorzugsweise
wenigstens sechs Befestigungsschäfte
und noch bevorzugter wenigstens 10 Befestigungsschäfte. Da
das Befestigungselement 24 der Spannplatte 24 von 14 entspricht,
wird das Befestigungselement mit demselben Bezugszeichen bezeichnet,
nämlich
mit „24".
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Benachbarte
Mehrzellenmodule können
miteinander durch ein Verbindungselement 50 bei den Endbrennstoffzellen 42 der
benachbarten Mehrzellenmodule 40 verbunden sein.
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Als
eine Folge der zuvor beschriebenen Strukturen, hat der Brennstoffzellenstapel 23 der
vorliegenden Erfindung die Vielzahl von Mehrzellenmodule 40,
die in Reihe gestapelt sind. Jedes Mehrzellenmodul 40 hat
die Mehrzellenbaugruppe 41, die eine Vielzahl von geschichteten
Brennstoffzellen hat, und die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42. Jedes
Mehrzellenmodul 40 wird bei den gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 durch
ein Beschränkungselement
zurückgehalten,
das das Befestigungselement 24 sein kann. Jedes Mehrzellenmodul
wird in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
beschränkt.
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In
einem Fall eines einstückigen
Mehrzellenmoduls 40, ist bevorzugt eine einstückige Mehrzellenbaugruppe 41,
die Brennstoffzellen hat, die durch die Klebedichtung 33 aneinander
angeklebt sind, zwischen den gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 angeordnet,
und jede gegenüberliegende Brennstoffzelle 42 ist
an die einstückige
Mehrzellenbaugruppe 41 durch die Klebedichtung 33 geklebt. Jedoch
ist das Mehrzellenmodul 40 nicht auf ein einstückiges Mehrzellenmodul
beschränkt.
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Die
gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen 42 können eine Dummy-Brennstoffzelle
sein, die keine elektrische Energie erzeugt. Jedoch ist die gegenüberliegende
Endbrennstoffzelle nicht auf eine Dummy-Brennstoffzelle beschränkt, sondern
kann eine Brennstoffzelle sein, die elektrische Energie erzeugt.
In dem Fall der Dummy-Brennstoffzelle ist die Endbrennstoffzelle 42 entwickelt,
um ein Strukturelement zu sein, das einer Trägheitsquerkraft des Mehrzellenmoduls
standhalten kann.
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Die
Endbrennstoffzelle 42 des Mehrzellenmoduls 40 ist
nach außen
in der Brennstoffzellenstapelrichtung verlängert, um einen verlängerten
Abschnitt 42a zu bilden. Der verlängerte Abschnitt 42a ist
ein Flanschabschnitt. Das Mehrzellenmodul 40 ist in der
Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung bei dem
verlängerten
Abschnitt 42a durch das Beschränkungselement beschränkt.
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Die
Endbrennstoffzelle 42 kann einen elektrisch leitenden Trennabschnitt 42b haben,
der im Wesentlichen denselben Aufbau hat, wie der der Brennstoffzelle
der Mehrzellenbaugruppe 41, und den verlängerten
Abschnitt 42a haben, der in der Form eines Rahmens ausgebildet
ist, der eine Öffnung 42c bei
einem zentralen Abschnitt der Endbrennstoffzelle hat. Der Trennabschnitt 42b hat
einen Vorsprung 42d, der in die Öffnung 42c des verlängerten
Abschnitts 42a eingepasst ist. Die Höhe des Vorsprungs 42d ist
gleich zu einer Dicke einer Wand des verlängerten Abschnitts, die die Öffnung 42c umgibt. Aufgrund
dieser Struktur berührt
der Vorsprung 42d einen Trennabschnitt einer Endbrennstoffzelle
eines benachbarten Mehrzellenmoduls. Die Brenngasleitung 30,
die Oxidationsgasleitung 31 und die Kühlmittelleitung 29 sind
in dem verlängerten
Abschnitt 42a, der in der Form eines Rahmens ist, und in
dem Trennelement 42b ausgebildet.
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Der
verlängerte
Abschnitt 42a und der Trennabschnitt 42b können miteinander
einstückig ausgebildet
sein. Als ein anderer Fall, wie in 3 und 4 dargestellt
ist, können
der verlängerte
Abschnitt 42a und der Trennabschnitt 42b separat
miteinander ausgebildet sein, und der Trennabschnitt 42b ist
in den verlängerten
Abschnitt 42a eingepasst, um an den verlängerten
Abschnitt 42a angeklebt zu werden.
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In
dem Fall, wo der verlängerte
Abschnitt 42a und der Trennabschnitt 42b einstückig miteinander ausgebildet
sind, sollte der verlängerte
Abschnitt 42a elektrisch leitend sein. In dem Fall, wo
der verlängerte
Abschnitt 42a und der Trennabschnitt 42b separat ausgebildet
sind, kann der verlängerte
Abschnitt 42a elektrisch leitend sein oder kann aus einem
elektrisch nicht leitenden Material wie einem synthetischem Harz
ausgebildet sein.
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Des
weiteren, wie in 3 und 4 gezeigt
ist, kann der verlängerte
Abschnitt 42a eine größere Dicke
haben als der Trennabschnitt 42b, um steifer zu sein, oder
kann die gleiche Dicke wie der Trennabschnitt 42b haben.
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In
dem verlängerten
Abschnitt 42a der Endbrennstoffzelle 42 des Mehrzellenmoduls 40 sind
Löcher 43 ausgebildet,
die durch den verlängerten
Abschnitt 42a in der Brennstoffzellenstapelrichtung hindurch
gehen. Die Löcher 43 sind
bei vier Ecken des verlängerten
Abschnitts 42a vorgesehen, der einen rechteckigen Aufbau
hat. Die Anzahl der Löcher 43 ist
gleich zu oder mehr als vier, vorzugsweise gleich zu oder mehr als
6, und noch bevorzugter gleich zu oder mehr als 8 und am meisten
bevorzugt zum Beispiel 10. In dem Fall, wo die Anzahl der Löcher zum Beispiel
10 ist, sind fünf
Löcher
entlang einer oberen Seite des rechteckigen, verlängerten
Abschnitts vorgesehen, und verbleibende fünf Löcher sind entlang einer unteren
Seite des verlängerten
Abschnitts vorgesehen.
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Das
Beschränkungselement 24,
das aus einem Beschränkungsschaft
bzw. Beschränkungssäule ausgebildet
sein kann, erstreckt sich durch das Loch 43 des verlängerten
Abschnitts 42a der Endbrennstoffzelle 42 und beschränkt das
Mehrzellenmodul 40 in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung.
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Der
Beschränkungsschaft 24 kann
der Befestigungsschaft 24 des Brennstoffzellenstapels 23 sein.
In der Ausführungsform
von 1 sind der Beschränkungsschaft 24 und
der Befestigungsschaft ein gemeinsamer Schaft, der zwei Zwecken
dient. Der Befestigungsschaft 24 des Brennstoffzellenstapels 23 erstreckt
sich zwischen den gegenüberliegenden
Endplatten 22. Unter Verwendung des Befestigungsschafts 24,
ohne Vorsehen irgendeines anderen Schafts, wird jedes Mehrzellenmodul 40 in
der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung beschränkt. Der
Beschränkungsschaft 24 kann
in dem Loch 43 gleiten.
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Als
nächstes
werden die Effekte und technischen Vorteile der Abschnitte erklärt, die
gemeinsam oder gleich über
alle die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind.
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Da
der Brennstoffzellenstapel 23 in eine Vielzahl von Mehrzellemodulen 40 unterteilt
ist, und jedes Mehrzellenmodul 40 in der Richtung senkrecht zu
der Brennstoffzellenstapelrichtung bei den gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 von
jedem Mehrzellenmodul 40 beschränkt wird, ist eine Trägheitsquerkraft
von jedem Mehrzellenmodul 40 und eine Scherkraft, die auf
jedes Mehrzellenmodul 40 aufgebracht wird, 1/n von denjenigen
des herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels, wobei n eine Anzahl von Unterteilungen
des Stapels 23 in die Vielzahl von Mehrzellenmodulen 40 ist.
Genauer gesagt, wirkt in dem herkömmlichen Stapel eine Querkraft
von (M α) auf
den gesamten Abschnitt des Stapels, wobei M eine Masse des Stapels
und α eine
Beschleunigung einer Stoßkraft
in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
ist, und deshalb wirkt eine Scherkraft S von (M α)/2 auf die Endbrennstoffzelle
des Stapels. Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Erfindung
eine Querkraft, die auf jedes Mehrzellenmodul 40 wirkt
(M α)/n
und die Scherkraft von jedem Mehrzellenmodul ist S/n. Als eine Folge kann
jedes Mehrzellenmodul 40 einer hohen G-Kraft (Erdbeschleunigung)
standhalten.
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Des
weiteren muss eine Federkraft, die auf das Mehrzellenmodul 40 in
der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgebracht wird, nicht so groß sein,
wie die Kraft, die in dem herkömmlichen
Brennstoffzellenstapel erfordert ist, die eine Reibungskraft erzeugt,
die der Scherkraft von (M α)/2
standhalten kann. Die Federkraft, die auf das Mehrzellenmodul 40 in
der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgebracht wird, kann auf eine
Kraft reduziert werden, die notwendig ist, um einen elektrischen
Kontaktwiderstand in dem Stapel 23 klein zu halten. Als
eine Folge wird der Kriechbetrag des Stapels 23 in der
Brennstoffzellenstapelrichtung auch verringert.
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Des
weiteren, da der Brennstoffzellenstapel 23 in eine Vielzahl
von Mehrzellenmodulen 40 unterteilt ist, konzentriert sich
eine Verschiebung des Brennstoffzellenstapels 23 in der
Brennstoffzellenstapelrichtung aufgrund des Kriechens der MEA und der
Diffusionslagen 13, 16 nicht auf die Endbrennstoffzelle 42 des
Stapels 23, wie bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel.
Die Verschiebung einer Brennstoffzelle wird auf alle Mehrzellenmodule
verteilt. Als eine Folge wird eine Verschiebung in der Brennstoffzellenstapelrichtung
von jedem Mehrzellenmodul 40 um ein großes Ausmaß verringert, im Vergleich
zu der Verschiebung der Endbrennstoffzelle in einem herkömmlichen
Stapel. Zusätzlich,
da der Kriechbetrag selbst aufgrund einer Verringerung der Federkraft
gering ist, ist die Verschiebung einer Brennstoffzelle von jedem
Mehrzellenmodul 40 gering.
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Des
weiteren, da eine Struktur, wo Mehrzellenmodule 40 bei
einer gesamten Seitenfläche
von sich durch ein externes Beschränkungselement beschränkt werden,
nicht angewendet wird, (genauer gesagt, da die Struktur, wie in 14 gezeigt
ist, das heißt,
dass ein Schwammkautschuk in einen Raum zwischen der Spannplatte
und den geschichteten Brennstoffzellen eingesetzt ist, um die geschichteten Brennstoffzellen
von einer Außenseite
zu beschränken,
nicht angewendet wird) beeinflusst die Brennstoffzelle des Mehrzellenmoduls 40 nicht
störend
das externe Beschränkungselement,
so dass dieses nicht beschädigt
wird, sogar dann nicht, wenn die Brennstoffzelle des Mehrzellenmoduls 40 sich
in der Brennstoffzellenstapelrichtung aufgrund einer thermischen
Ausdehnung bewegt.
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Des
weiteren, da die Struktur, wo die Mehrzellenmodule 40 bei
einer gesamten Seitenfläche von
sich durch ein externes Beschränkungselement beschränkt werden,
nicht angewendet wird, müssen das
externe Beschränkungselement
und ein Modulrahmen (der die geschichteten Brennstoffzellen umgibt
und durch das externe Beschränkungselement beschränkt wird)
nicht vorgesehen werden, und ein Raum für ein Vorsehen des externen
Beschränkungselements
und des Modulrahmens ist unnötig. Als
eine Folge kann der Brennstoffzellenstapel 23 kompakt (durch
Verringern der Dicke des Beschränkungselements
und Entfernens des Modulrahmens) und leicht sein. Aufgrund des leichter
gemachten Stapels, ist eine Gegenmaßnahme für eine Stoßkraft mit einer hohen G-Kraft
leicht vorgesehen. Des weiteren, aufgrund der Entfernung des Modulrahmens,
ist ein Koppeln eines Brennstoffzellenspannungswächters an die Brennstoffzelle
leicht vorgesehen. Falls der Modulrahmen vorgesehen wäre, müsste ein
Loch in dem Modulrahmen ausgebildet sein, und der Zellenwächter müsste sich
durch das Loch hindurch erstrecken und dann an der Brennstoffzelle
befestigt werden müssen,
was die Struktur und die Arbeit komplex machen würde.
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In
dem Fall, wo die Endrennstoffzelle 42 eine Dummy-Brennstoffzelle ist,
kann die Endbrennstoffzelle 42 als ein Strukturelement
für ein
Aufnehmen einer Kraft unabhängig
von einem Energieerzeugungsmerkmal entwickelt sein, so dass die Endbrennstoffzelle 42 einem
Querstoß mit
ausreichender Festigkeit und Zuverlässigkeit standhalten kann.
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Da
die Endbrennstoffzelle des Mehrzellenmoduls 40 nach außen verlängert ist,
und das Mehrzellenmodul 40 in der Richtung senkrecht zu
der Brennstoffzellenstapelrichtung bei dem verlängerten Abschnitt 42a beschränkt wird,
ist es nicht notwendig eine beträchtliche
Designänderung
an der Brennstoffzellenstapelstruktur des Mehrzellenmoduls 40 vorzunehmen.
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Da
der verlängerte
Abschnitt 42a ein Loch 43 hat, und sich der Beschränkungsschaft 24 durch
das Loch 43 erstreckt, bilden die Endbrennstoffzellen 42 und
die Beschränkungsschäfte 24 einen
Rahmen in der Form einer Leiter aus, so dass das Mehrzellenmodul
in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
mit ausreichender Festigkeit und Zuverlässigkeit abgestützt werden
kann.
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Des
weiteren, da der Befestigungsschaft 24 als der Beschränkungschaft 24 verwendet
wird, muss ein Schaft, der von dem Befestigungsschaft verschieden
ist, nicht für
den Beschränkungschaft vorgesehen
werden, was eine Struktur des Brennstoffzellenstapels 23 vereinfacht
und die Anzahl der Teile des Brennstoffzellenstapels 23 verringert.
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Als
nächstes
werden Abschnitte, die bei jeder Ausführungsform der Erfindung einzigartig
sind, erklärt.
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Ausführungsform 1:
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In
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung, wie in 1 bis 4 dargestellt
ist, ist der verlängerte
Abschnitt 42a der Endbrennstoffzelle 42 aus synthetischem
Harz gemacht, und der Trennabschnitt 42b der Endbrennstoffzelle 42 ist
aus Metall gemacht, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl. Die Löcher 43 sind bei
den vier Ecken des rechteckigen, verlängerten Abschnitts 42a vorgesehen.
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Die
einzelnen Brennstoffzellen der Mehrzellenbaugruppe 41 des
Mehrzellenmoduls 40 sind durch die Klebedichtung 33 aneinander
geklebt. Die Dichtung zwischen den benachbarten Mehrzellenmodulen 40 (zwischen
einem Mehrzellenmodul und seinem Mehrzellenmodul) ist eine Kautschukdichtung 32.
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Der
Befestigungsschaft 24, der allgemein als der Beschränkungsschaft 24 verwendet
wird, erstreckt sich durch das Loch 43, das in dem verlängerten
Abschnitt 42a ausgebildet ist, und beschränkt das Mehrzellenmodul 40 in
der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung. Da
der verlängerte Abschnitt 42a der
Endbrennstoffzelle 42 aus synthetischem Harz gemacht ist,
ist der verlängerte
Abschnitt 42a von dem Befestigungsschaft 24 elektrisch isoliert,
und deshalb ist eine spezielle elektrische Isolationsstruktur nicht
notwendig.
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Andere
Strukturen sind dieselben wie diejenigen, die in den Abschnitten
beschrieben worden sind, die allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
gemeinsam sind.
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Mit
Bezug auf Effekte und technische Vorteile von Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung, in einem Fahrzeug, wo der Brennstoffzellenstapel
mit einer Brennstoffzellenstapelrichtung montiert ist, die in eine
rechte und linke Richtung des Fahrzeugs gerichtet ist, wird eine
externe Kraft bei einer Kollision des Fahrzeugs in das Mehrzellenmodul 40 bei
den Endbrennstoffzellen 42 eingeleitet, und nicht bei inneren
Brennstoffzellen. An den inneren Brennstoffzellen des Mehrzellenmoduls 40 wirkt
nur eine Trägheitskraft.
Durch Drücken
der Anzahl der Brennstoffzellen des Mehrzellenmoduls 40 auf
zwanzig oder so (innerhalb einem Bereich von fünf bis dreißig), wird die Trägheitskraft
gedrückt,
so dass die Brennstoffzellen durch die Befestigungskraft nur durch
die Klebedichtung 33 abgestützt werden können. Eine
Reibungskraft verhindert ein Rutschen bzw. Gleiten zwischen Endbrennstoffzellen
von benachbarten Mehrzellenmodulen 40. Wenn die Trägheitskraft
größer ist
als die Reibungskraft, wird die Trägheitskraft durch sowohl die
Reibungskraft als auch den Befestigungsschaft 24 abgestützt.
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Andere
Effekte und technische Vorteile sind dieselben wie in den Abschnitten
beschrieben ist, die allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemeinsam sind.
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Ausführungsform 2:
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In
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung, wie in 5 bis 7 gezeigt
ist, sind die Endbrennstoffzellen 42 von benachbarten Mehrzellenmodulen 40 durch
ein Verbindungselement 50 verbunden, das von dem Befestigungsschaft 24 verschieden
ist. In Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement 50 ein
Clip 50A. Der Clip 50A kann elastisch oder nicht
elastisch sein.
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Mit
Bezug auf Effekte und technische Vorteile von Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung, dichtet die Kautschukdichtung 32 zwischen den
benachbarten Mehrzellenmodulen 40 ab, und eine Klebedichtung 33 dichtet
zwischen den Brennstoffzellen in jedem Mehrzellenmodul ab. Wenn
die Federkraft der Feder, die bei einem Ende des Stapels gelegen
ist, auf die Mehrzellenmodule 40 wirkt, und falls die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen 42 der benachbarten Mehrzellenmodule 40 keine
ausreichende Steifigkeit haben, werden die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 in
einer Richtung voneinander weg verformt. Als eine Folge wird eine notwendige
Dichtkraft nicht auf die Kautschukdichtung 32 aufgebracht.
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In
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung, da die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 der
benachbarten Mehrzellenmodule durch den Clip 50A bei Außenenden
der verlängerten
Abschnitte 42a festgehalten werden, kann jedoch eine ausreichende
Dichtkraft an die Kautschukdichtung 32 gegeben werden,
um die ungenügende
Steifigkeit der Endbrennstoffzellen 42 zu kompensieren.
Als eine Folge können
die Endbrennstoffzellen 42 in ihrer Dicke verringert werden
und können
leichter gemacht werden.
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Ausführungsform 3:
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In
der Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung, wie in 8 und 9 gezeigt
ist, sind die Endbrennstoffzellen 42 vom benachbarten Mehrzellenmodul 40 durch
das Verbindungselement 50 verbunden, das von dem Befestigungsschaft 24 verschieden
ist. In Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement 50 ein
Bolzen bzw. Schraube 50B oder eine Niet.
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Die
Effekte und technischen Vorteile von Ausführungsform 3 der vorliegenden
Erfindung sind nachstehend beschrieben. In dem Fall, wo die Dichtung
zwischen den Brennstoffzellen von Mehrzellenmodulen 40 eine
Klebedichtung ist, und die Dichtung zwischen den benachbarten Mehrzellenmodulen 40 eine
Kautschukdichtung 32 ist, falls die Endbrennstoffzellen 42 der
benachbarten Mehrzellenmodule keine ausreichende Steifigkeit haben,
kann eine ausreichende Dichtkraft nicht an die Gummidichtung 32 gegeben
sein.
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In
Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung, da die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 der
benachbarten Mehrzellenmodule 40 gegeneinander durch den
Bolzen bzw. Schraube 50B oder eine Niet bei den verlängerten
Abschnitten 42a gepresst werden, kann eine ausreichende
Dichtkraft zu der Kautschukdichtung 32 gegeben werden,
um die ungenügende
Steifigkeit der Endbrennstoffzellen 42 zu kompensieren.
Als eine Folge können
die Endbrennstoffzellen 42 in der Dicke verringert werden und
können
leichter gemacht werden.
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Ausführungsform 4:
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In
Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung, wie in 10 gezeigt
ist, sind die Endbrennstoffzellen 42 von benachbarten Mehrzellenmodulen 40 durch
das Verbindungselement 50 verbunden, das von dem Befestigungsschaft 24 verschieden
ist. Sowohl der Befestigungsschaft 24 und das Verbindungselement 50 können verwendet
werden, oder das Verbindungselement 50 allein kann verwendet werden.
In Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement 50 ein
Ohrabschnitt 50C, der in dem verlängerten Abschnitt 42a der
Endbrennstoffzelle 42 des Mehrzellenmoduls 40 ausgebildet
ist, und der Ohrabschnitt 50C ist gebogen und verstemmt,
um den verlängerten
Abschnitt 42a der berührenden
Endbrennstoffzelle 42 von einem benachbarten Mehrzellenmodul 40 zu
halten. Der verstemmte Abschnitt kann punktgeschweißt sein,
um den Ohrabschnitt 50C weiter zu verstärken.
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Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft in dem Fall, wo die
Dichtung zwischen den Brennstoffzellen von jedem Mehrzellenmodul 40 eine
Klebedichtung ist, und die Dichtung zwischen den benachbarten Mehrzellenmodulen 40 eine
Kautschukdichtung 32 ist. Es ist wahrscheinlich, dass in
solch einer Situation die Endbrennstoffzellen 42 der benachbarten
Mehrzellenmodule keine ausreichende Steifigkeit haben, und deshalb
kann eine ausreichende Dichtkraft nicht zu der Kautschukdichtung 32 gegeben
werden.
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In
Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung, da die gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 der
benachbarten Mehrzellenmodule 40 durch das Verstemmen oder
durch das Verstemmen und Schweißen
aneinander befestigt sind, kann jedoch eine ausreichende Dichtkraft
zu der Kautschukdichtung 32 gegeben werden, um die ungenügende Steifigkeit
der Endbrennstoffzellen 42 zu kompensieren. Als eine Folge
können
die Endbrennstoffzellen 42 in der Dicke verringert werden
und leichter gemacht werden.
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Ausführungsform 5:
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In
Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung, wie in 11 gezeigt
ist, sind die Endbrennstoffzellen 42 von benachbarten Mehrzellenmodulen 40 aus
einer elektrisch leitenden Materialplatte wie einer Karbonplatte
oder einer Metallplatte aufgebaut. Der Beschränkungsschaft 24 erstreckt
sich durch die Löcher 43,
die in den Endbrennstoffzellen 42 ausgebildet sind. Die
Endbrennstoffzellen 42 und der Beschränkungsschaft 24 sind
durch ein elektrisches Isolierelement 51 elektrisch voneinander
isoliert.
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Das
elektrische Isolierelement 51 ist aus einer Buchse 51A aufgebaut,
die aus synthetischem Harz gemacht ist. Die Buchse 51A kann
eine Gummitülle
bzw. eine Isolierscheibe sein. Eine Dicke „a" der Buchse 51A kann gemäß einer
elektrischen Spannungsumgebung bestimmt werden.
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Die
Buchse 51A hat einen Flanschabschnitt 52, der
sich radial nach außen
bei dem Ende der Buchse 51A erstreckt. In der Endbrennstoffzelle 42 ist
eine gestufte Aussparung 53 um das Loch 43 herum
ausgebildet für
ein Aufnehmen des Flanschabschnitts 52 in diesem. Die Buchse 51A ist
so an die Endbrennstoffzelle 42 gekoppelt, dass der Flanschabschnitt 52 in
die gestufte Aussparung 53 eingepasst ist, und die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen 42 der benachbarten Mehrzellenmodule 40 sind
durch das Verbindungselement verbunden, wobei die Flanschabschnitte 52 einander
gegenüberliegen.
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Mit
Bezug auf Effekte und technische Vorteile von Ausführungsform
5 der vorliegenden Erfindung, da die Buchse 51A vorgesehen
ist, wird ein Kurzschluss zwischen dem Schaft 24 und der
Brennstoffzelle verhindert. Aufgrund der Verhinderung eines Kurzschlusses,
ist es möglich,
dass der verlängerte
Abschnitt 42a durch ein Verlängern des Karbon- oder Metalltrennelements der
Endbrennstoffzelle nach außen
ausgebildet ist. Als eine Folge kann die Struktur vereinfacht werden,
verglichen mit einem Fall, wo der verlängerte Abschnitt 42a aus
einem synthetischen Harz separat von dem Trennabschnitt 42b ausgebildet
ist.
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Ausführungsform 6:
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In
Ausführungsform
6 der vorliegenden Erfindung, wie in 12 dargestellt
ist, sind die Endbrennstoffzellen 42 von benachbarten Mehrzellenmodulen 40 aus
einer elektrisch leitenden Materialplatte wie einer Karbonplatte
oder einer Metallplatte aufgebaut. Der Beschränkungsschaft 24 erstreckt sich
durch die Löcher 43,
die in den Endbrennstoffzellen 42 ausgebildet sind. Die
Endbrennstoffzellen 42 und der Beschränkungsschaft 24 sind
durch ein elektrisches Isolierelement 51 voneinander elektrisch isoliert.
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Das
elektrische Isolierelement 51 ist aus einem Rohr 51B aufgebaut,
das aus einem synthetischem Harz gemacht ist und den Befestigungsschaft 24 bedeckt.
Das „Rohr" kann durch einen
isolierenden Überzug
ersetzt werden, mit dem der Befestigungsschaft 24 überzogen
ist. Eine Dicke „a" des Rohrs 51B wird
gemäß einer
elektrischen Spannungsumgebung bestimmt.
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Mit
Bezug auf Effekte und technische Vorteile von Ausführungsform
6 der vorliegenden Erfindung, da das synthetische Harzrohr 51B vorgesehen ist,
wird ein Kurzschluss zwischen dem Schaft 24 und der Brennstoffzelle
verhindert. Aufgrund der Verhinderung eines Kurzschlusses, ist es
möglich,
dass der verlängerte
Abschnitt 42a durch ein Verlängern des Karbon- oder Metalltrennelements
der Endbrennstoffzelle nach außen
ausgebildet wird. Als eine Folge kann die Struktur vereinfacht werden,
verglichen mit einem Fall, wo der verlängerte Abschnitt 42a aus einem
synthetischem Harz separat von dem Trennabschnitt 42b ausgebildet
ist.
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Ausführungsform 7:
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Wie
in 13 (die ein erstes Beispiel von Ausführungsform
7 der vorliegenden Erfindung darstellt) und 14 (die
ein zweites Beispiel von Ausführungsform
7 der vorliegenden Erfindung darstellt) gezeigt ist, ist in Ausführungsform
7 der vorliegenden Erfindung der verlängerte Abschnitt 42a in
der Endbrennstoffzelle 42 durch Verlängern der Endbrennstoffzelle 42 nach
außen
in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
ausgebildet. Zwischen den verlängerten
Abschnitten 42a von gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 von
jedem Mehrzellenmodul 40 ist ein Verformungsverhinderungselement 54 vorgesehen,
für ein
Verhindern, dass die gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen 42 nach innen in die Brennstoffzellenstapelrichtung verformt
werden.
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Das
Verformungsverhinderungselement 54 kann ein elastisches
oder federndes Element haben, das sich elastisch verformen kann.
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In
dem ersten Beispiel von Ausführungsform 7,
wie in 13 dargestellt ist, stehen die
verlängerten
Abschnitte 42a der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 von
jedem Mehrzellenmodul 40 nach innen in die Brennstoffzellenstapelrichtung
vor. In jedem verlängerten
Abschnitt 42a ist ein gestuftes Durchgangsloch 55 ausgebildet.
Das gestufte Loch 55 hat einen ersten Lochabschnitt 55a,
der einen ersten Durchmesser hat, und einen zweiten Lochabschnitt 55b,
der einen zweiten Durchmesser hat, der kleiner ist als der erste
Durchmesser. In jedem der verlängerten
Abschnitte 42a der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 sind
die ersten Lochabschnitte 55a mehr nach innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
gelegen als die zweiten Lochabschnitte 55b. Ein elektrisch
nicht leitendes zylindrisches Bundelement 56 und eine elektrisch
nicht leitende ringförmige
Wellenscheibe 57, die gewellt ist, um konvex und konkav
in eine Richtung senkrecht zu einer Ringrichtung der Wellenscheibe
zu sein, sind zwischen den gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen 42 gelegen. Die Wellescheibe 57 definiert
das Verformungsverhinderungselement 54. Das Bundelement 56 geht
durch die Wellenscheibe 57 hindurch. Ein Endabschnitt des
Bundelements 56 ist in das erste Loch 55a des
gestuften Lochs 55 eingesetzt, das in dem verlängerten
Abschnitt 42a von einer der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 des
Mehrzellenmoduls 40 ausgebildet ist, und der andere Endabschitt
des Bundelements 56 ist in das erste Loch 55a des
gestuften Lochs 55 eingesetzt, das in dem verlängerten
Abschnitt 42a der anderen der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 des
Mehrzellenmoduls 40 ausgebildet ist. Die Wellenscheibe 57 ist zwischen
den gegenüberliegenden
Flächen
der verlängerten
Abschnitte 42a der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 des
Mehrzellenmoduls 40 gelegen, und ist nicht in die gestuften
Löcher 55 eingesetzt.
Der Beschränkungsschaft 24 erstreckt
sich durch das Bundelement 56.
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In
dem zweiten Beispiel von Ausführungsform
7, wie in 14 dargestellt ist, ist die
Wellenscheibe 57 des ersten Beispiels von Ausführungsform
7 durch ein Bundelement 58 ersetzt, das aus einem Kautschuk-basierendem
Material gemacht ist. In dem zweiten Beispiel von Ausführungsform
7 definiert das Bundelement 58 das Verformungsverhinderungselement 54,
das aus elastischem Material gemacht ist. Andere Strukturen, eingeschlossen
ein gestuftes Durchgangsloch 55, das ein erstes, großes Durchmesserloch 55a und
ein zweites, kleineres Durchmesserloch 55b hat, ein Bundelement 56,
und ein Beschränkungsschaft 24 des
zweiten Beispiels von Ausführungsform
7 sind dieselben wie diejenigen des ersten Beispiels von Ausführungsform
7, wie in 13 dargestellt ist.
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Effekte
und technische Vorteile von Ausführungsform
7 der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
Der verlängerte Abschnitt 42a der
Endbrennstoffzelle 42 erstreckt sich nach außen von
der Mehrzellenbaugruppe 41 in der Richtung senkrecht zu
der Brennstoffzellenstapelrichtung und definiert eine Träger- bzw.
Auslegerstruktur bezüglich
der Mehrzellenbaugruppe 41. Demzufolge ist es wahrscheinlich,
dass sich der verlängerte
Endabschnitt 42a nach innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
verformt, und ist somit in struktureller Hinsicht instabil. Falls
der verlängerte
Abschnitt 42a nach innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
verformt wird, berührt
eine Ecke des verlängerten
Abschnitts bei einem Ende des Lochs 55 den Beschränkungsschaft 24,
um eine Reibung zu erzeugen, wenn er gleitet. Des weiteren, falls der
verlängerte
Abschnitt 42a nach innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung
verformt wird, wirkt eine notwendige Dichtkraft nicht auf die Kautschukdichtung 32 zwischen
benachbarten Mehrzellenmodulen 40.
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In
dem ersten und zweiten Beispiel der Ausführungsform 7 der vorliegenden
Erfindung, da das Verformungsverhinderungselement 54 zwischen
den verlängerten
Abschnitten 42a der gegenüberliegenden Endbrennstoffzellen 42 des
Mehrzellenmoduls vorgesehen ist, wird jedoch wirksam verhindert,
dass der verlängerte
Abschnitt 42a der Endbrennstoffzelle 42 sich nach
innen in der Brennstoffzellenstapelrichtung verformt, und das Mehrzellenmodul 40 kann sich
gleichmäßig relativ
zu dem Beschränkungselement
bewegen.
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Des
weiteren, da das Verformungsverhinderungselement 54 ein
elastisches oder federndes Element hat, stützt das Verformungsverhinderungselement 54 die
verlängerten
Abschnitte 42a der Endbrennstoffzelle 52 bis zu
einer gewissen Last und ermöglicht,
dass eine Last, die die gewisse Last übersteigt, entweichen kann,
wodurch eine Verformung der Endbrennstoffzelle 42a verhindert
wird, ohne strukturelle Schwierigkeiten zu verursachen.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellenstapel hat eine Vielzahl von gestapelten Mehrzellenmodulen
und ein Beschränkungselement.
Jedes Mehrzellenmodul hat eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die
gegenüberliegende
Endbrennstoffzellen bei gegenüberliegenden Enden
der Vielzahl von geschichteten Brennstoffzellen hat. Das Beschränkungselement
beschränkt
das Mehrzellenmodul in einer Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
bei den gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen von jedem Mehrzellenmodul. Jede der gegenüberliegenden
Endbrennstoffzellen hat einen verlängerten Abschnitt, der durch Verlängern der
gegenüberliegenden
Endbrennstoffzelle nach außen
in einer Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung
ausgebildet ist, und jedes Mehrzellenmodul wird durch das Beschränkungselement
bei dem verlängerten
Abschnitt beschränkt.
Ein Loch ist in dem verlängerten
Abschnitt ausgebildet und ein Beschränkungsschaft, der das Beschränkungselement
definiert, erstreckt sich durch das Loch. Ein Verformungsverhinderungselement kann
zwischen den verlängerten
Abschnitten angeordnet sein.