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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stapelaufbau einer Brennstoffzellenbatterie.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Wie es in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr.
JP H07-249417 A offenbart ist, oder wie es in
5 gezeigt ist, haben Brennstoffzellenbatterien, zum Beispiel Brennstoffzellenbatterien mit einem festen Polymerelektrolyt, einen Stapelaufbau, der durch ein Stapeln von Elementarzellen
4 ausgebildet wird. Jede Elementarzelle
4 wird durch ein Einlegen einer Membran-Elektroden-Baugruppe (MEA)
2 zwischen zwei Trenneinrichtungen
3 ausgebildet, und der Stapelaufbau wird mit einer Befestigungslast befestigt, die in der Zellstapelrichtung aufgebracht wird.
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Ein mittlerer Abschnitt jeder Elementarzelle 4 in Richtungen entlang der Ebene der Zelle ist ein Elektrizitätserzeugungsbereich 5, der bei einer Zufuhr eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases zu der MEA eine Elektrizität erzeugt. Ein Abschnitt um den Elektrizitätserzeugungsbereich 5 ist ein Bereich ohne Elektrizitätserzeugung 6, der das Brennstoffgas, das Oxidationsgas und das Kühlwasser einschließt. Bei dem Bereich ohne Elektrizitätserzeugung 6 jeder Zelle 4, bilden die zwei Trenneinrichtungen 3 einen Aufbau mit fester Abmessung, bei dem eine Elektrolytmembran 1 zwischen harten Harzrahmen 7 eingepfercht ist (das „Aufbau mit fester Abmessung“ bezieht sich hierin auf einen Aufbau, bei dem eine der Trenneinrichtungen und die andere Trenneinrichtung oder die Trenneinrichtungen und die Elektrolytmembran Lasten tragen, indem sie sich einander, ohne eine dazwischenliegende Klebschicht, direkt berühren und mit einer eindeutig definierten Abmessung vorgesehen sind).
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Der Aufbau mit fester Abmessung kann sowohl einen Aufbau mit pseudo-fester Abmessung, als auch den echten Aufbau mit fester Abmessung aufweisen (der „Aufbau mit pseudo-fester Abmessung“ bezieht sich hierin auf einen Aufbau, bei dem eine der Trenneinrichtungen und die andere Trenneinrichtung oder die Trenneinrichtungen und die Elektrolytmembran Lasten tragen, indem sie sich durch eine dazwischenliegende Klebschicht 8 berühren, die dünn ist (dünner als 50 µm) und hart ist (der Elastizitätsmodul E von dieser ist größer als 100 MPa), und mit einer eindeutig definierten Abmessung vorgesehen sind).
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Der herkömmliche Stapelaufbau hat jedoch die folgenden Probleme.
- 1) Die Last auf die MEA variiert, so dass sich die Haltbarkeit der MEA verringert.
Da der Aufbau mit konstanter Dicke oder ein Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke der Trenneinrichtungen und die MEAs aufgrund einer Herstellung und eines Zusammenbaus variierende Abmessungen haben, variiert die Last, die auf die MEAs bei einem Aufbringen einer Befestigungslast auf den Stapel wirkt, beträchtlich und weicht von einem Sollwert ab. Wenn die Last auf eine MEA von dem Sollwert zu einer größeren Seite hin abweicht, verringert sich die Haltbarkeit der MEA. Wenn die Last auf eine MEA zu einer kleineren Seite abweicht, nimmt der Kontaktwiderstand der MEA zu, und deshalb ergibt sich eine verschlechterte Leistung der Brennstoffzelle.
- 2) Eine große Befestigungslast wird benötigt.
Die Befestigungslast muss groß sein, um trotz der Variation der Last auf die MEAs einen notwendigen Flächendruck in dem Elektrizitätserzeugungsbereich zuverlässig zu erreichen.
- 3) Es besteht eine Möglichkeit eines Brechens oder eines Verformens der Trenneinrichtungen aufgrund der erhöhten Befestigungslast.
Das Aufbringen einer Extrabefestigungslast erhöht die Möglichkeit eines Brechens der Trenneinrichtungen, wenn sie aus Karbon hergestellt sind, und die Möglichkeit eines Verformens der Trenneinrichtungen, wenn sie aus einem Metall hergestellt sind.
- 4) Eine Handhabung des MEA-Flächendrucks ist schwierig.
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Da die Befestigungslast von den Abmessungsvariationen der MEAs und den Aufbauten mit konstanter Dicke oder den Aufbauten mit pseudo-konstanter Dicke der Trenneinrichtungen abhängt, ist es schwierig, die Last auf die MEAs durch die Stapelbefestigungslast, zu steuern.
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Des Weiteren offenbart die
DE 197 13 250 A1 eine MEA-Konfiguration, bei der die Austrocknung der Elektrolytmembran verhindert wird, indem ein adhäsives Verbundmaterial die Elektrolytmembran von drei Seiten vollständig bis zu den Enden der Elektroden auf den Flachseiten der Elektrolytmembran umschließt. Als adhäsives Verbundmaterial wird Epoxidharz, PUR oder ALIPS eingesetzt.
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Die
US 2001/0049047 A1 schlägt vor, die Elektrolytmembran einer MEA direkt mittels eines Klebstoffs mit einem Paar Trenneinrichtungen zu verbinden, ohne dass der Klebstoff die Enden von Gasdiffusionselektroden berührt, die auf den Flachseiten der Elektrolytmembran angeordnet sind. Der Klebstoff hat einen Elastizitätsmodul von nicht mehr als 10 MPa.
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Schließlich ist aus der
DE 101 60 905 A1 eine Dichtungsanordnung für einen Brennstoffzellenstapel bekannt, bei der ein elastisches Dichtelement einen Verbund aus zwei Trenneinrichtungen mit einer dazwischengelegten MEA nach Art eines umlaufenden Dichtbandes umschließt. Ein Dichtleistenabschnitt ragt in den Dichtspalt bis in einen Raum zwischen der Elektrolytmembran und zwei porösen Platten der MEA hinein und berührt die jeweiligen Enden der Elektrolytmembran und der zwei porösen Platten, um den Dichtspalt gasdicht abzuschließen. Das elastische Dichtelement wird durch einen Werkstoff mit einer Härte von etwa 20 bis 100 Shore A gebildet.
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Die Erfindung ist gedacht, um insbesondere die oben genannten Probleme 1) einer instabilen Haltbarkeit der MEA und 4) einer schwierigen Handhabung des MEA-Flächendrucks zu lösen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapelaufbau vorzusehen, der verglichen mit dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapelaufbau eine Stabilisierung der Haltbarkeit der MEA und eine leichte Handhabung des MEA-Flächendrucks ermöglicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung hat ein Aufbau eines Brennstoffzellenstapels die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Gemäß dem ersten Aspekt kann die Variation der Last auf die MEA, die bei dem herkömmlichen Zellenstapel durch einen Aufbau mit konstanter Dicke oder einen Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke bewirkt wird, eliminiert werden. Deshalb wird die Last, die auf die MEA wirkt, nicht beträchtlich von einem Sollwert abweichen, und deshalb wird die Haltbarkeit der MEA stabil.
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Ferner, da im Gegensatz zu dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel keine Variation der Last auf die MEA auftritt, die durch die Abmessungsvariation eines Aufbaus mit konstanter Dicke oder eines Aufbaus mit einer pseudo-konstanten Dicke bewirkt wird, ist es trotz einer Lastvariation nicht länger notwendig, eine Extrabefestigungslast zum Sicherstellen des Aufbringens einer benötigten Last auf die MEA vorzusehen. Deshalb ist eine entsprechende Verringerung der Stapelbefestigungslast möglich.
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Des Weiteren, da es nicht notwendig ist, eine Extrabefestigungslast aufzubringen, ist das Brechen oder eine Verformung der Trenneinrichtungen unwahrscheinlich.
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Des Weiteren wird bei dem vorangehenden Aufbau der Aufbau mit konstanter Dicke oder ein Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel durch die Klebschicht ersetzt. Deshalb, da das Lasttragen durch den Aufbau mit konstanter Dicke oder einen Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke eliminiert ist, wird ein Hauptanteil der Stapelbefestigungslast, die von außerhalb aufgebracht wird, durch den Elektrizitätserzeugungsbereich aufgenommen. Das bedeutet, dass die Last auf die MEA durch die von außerhalb aufgebrachte Stapelbefestigungslast gesteuert werden kann. Infolgedessen wird die Handhabung des MEA-Flächendrucks leicht.
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Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
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Figurenliste
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- 1 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapelaufbaus in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapelaufbaus in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 ist eine Ansicht einer Zelle des Brennstoffzellenstapelaufbaus in Übereinstimmung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 ist eine Schnittansicht des gesamten Brennstoffzellenstapelaufbaus in Übereinstimmung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapelaufbaus.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Der Brennstoffzellenstapelaufbau der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die 3 und 4 sind sowohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel als auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung anwendbar. Abschnitte, die zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemeinsam oder ähnlich sind, werden in den Zeichnungen und der Beschreibung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt.
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Zunächst werden Abschnitte, die zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemeinsam oder ähnlich sind, unter Bezugnahme auf beispielsweise die 1, 3 und 4 beschrieben.
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Die Brennstoffzellenbatterie, bei der der Stapelaufbau der Erfindung angewendet wird, ist beispielsweise eine Brennstoffzellenbatterie mit einem festen Polymerelektrolyt 10. Die Brennstoffzellenbatterie 10 ist beispielsweise in einem Brennstoffzellenmotorfahrzeug eingebaut. Jedoch kann die Brennstoffzellenbatterie 10 ebenso für andere Gegenstände wie Motorfahrzeuge verwendet werden.
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Die Brennstoffzellenbatterie mit festem Polymerelektrolyt 10 wird durch einen Stapel von Membran-Elektroden-Baugruppen (MEAs) und Trenneinrichtungen 18 ausgebildet. Die Stapelrichtung ist nicht auf die vertikalen oder horizontalen Richtungen begrenzt, sondern kann jede Richtung sein.
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Jede Membran-Elektroden-Baugruppe hat eine Elektrolytmembran 11 mit einer Ionenaustauschmembran, eine Elektrode (Anode oder Brennstoffelektrode) 14 mit einer katalytischen Schicht, die an einer Fläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und eine Elektrode (Kathode oder Luftelektrode) 17 mit einer katalytischen Schicht, die an einer anderen Fläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist. Anodenseitige Diffusionsschichten 13 und kathodenseitige Diffusionsschichten 16 sind zwischen den Membran-Elektroden-Baugruppen und den Trenneinrichtungen 18 vorgesehen.
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Eine Elementarzelle 19 wird durch ein Einlegen einer MEA zwischen Trenneinrichtungen 18 ausgebildet. Eine Vielzahl von Elementarzellen 19 wird gestapelt, um eine Zellstapelanordnung auszubilden. Jedes der zwei in der Zellstapelrichtung gegenüberliegenden Enden der Zellenstapelanordnung ist mit einem Anschluss 20, einem Isolator 21 und einer Endplatte 22 vorgesehen. Die Zellenstapelanordnung ist in der Zellstapelrichtung eingeklemmt und wird durch Verwenden von Schrauben und Muttern 25 und ein außerhalb befindliches Bauteil 24 befestigt, das sich außerhalb der Zellstapelanordnung in der Zellstapelrichtung erstreckt. Auf diese Weise wird ein Brennstoffzellenstapel 23 ausgebildet.
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Die Trenneinrichtungen 18 können jegliche aus Karbontrenneinrichtungen, Metalltrenneinrichtungen, elektrisch leitfähige Harztrenneinrichtungen, Kombination von Metalltrenneinrichtungen und Harzrahmen, und Kombinationen von den vorangehenden Trenneinrichtungen und Rahmen sein.
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Jede Trenneinrichtung 18 hat Reaktionsgaskanäle 27, 28 (einen Brennstoffgaskanal 27 und einen Oxidationsgaskanal 28) um der Anode 14 und der Kathode 17 ein Brennstoffgas (Wasserstoff) und ein Oxidationsgas (Sauerstoff oder Luft bei herkömmlichen Fällen) zuzuführen, und hat ferner in seiner Rückfläche einen Kühlmittelkanal 26 zum Durchführen eines Kühlmittels (Kühlwasser bei herkömmlichen Fällen).
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Kühlmittelverteiler 29, Brennstoffgasverteiler 30 und Oxidationsgasverteiler 31 erstrecken sich durch die Trenneinrichtungen 18. Den Verteilern 29, 30, 31 wird von Fluidzufuhrrohren ihr jeweiliges Fluid (Kühlmittel, Brennstoffgas, Oxidationsgas) zugeführt. Die Fluide fließen von Einlassseiten der Verteiler 29, 30, 31 in Zellkanäle 26, 27, 28 und fließen aus den Zellkanälen 26, 27, 28 in Auslassseiten der Verteiler 29, 30, 31 und verlassen dann Fluidauslassrohre.
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Jede Zelle 19 hat einen Elektrizitätserzeugungsbereich 35 und einen Bereich ohne Elektrizitätserzeugung 36 um den Bereich 35. Die Reaktionsgaskanäle 27, 28 und der an der entgegengesetzten Fläche vorgesehene Kühlmittelkanal 26 sind bei dem Elektrizitätserzeugungsbereich 35 ausgebildet. Die Verteiler 29, 30, 31, sind bei dem Bereich ohne Elektrizitätserzeugung 36 ausgebildet. Um ein Vermischen der verschiedenen Fluide zu verhindern, sind Dichtungen zwischen den Trenneinrichtungen 18 jeder Zelle 19 und zwischen den Trenneinrichtungen 18 von angrenzenden Zellen 19 vorgesehen.
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Bei jeder Zelle 19 ist eine Klebschicht 33 (33a) zwischen den zwei die MEA zwischen sich aufweisenden Trenneinrichtungen 18 vorgesehen, und weder ein Aufbau mit konstanter Dicke noch ein Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke ist dazwischen vorgesehen. Bei diesem Aufbau existiert eine Klebschicht 33 in jedem Raum zwischen den Trenneinrichtungen 18 und einer Elektrolytmembran 11 und dem Raum zwischen zwei Trenneinrichtungen 18 jeder Zelle 19. Deshalb berühren sich bei dem Bereich ohne Energieerzeugung die zwei Trenneinrichtungen 18 jeder Zelle 19 einander nicht. Des Weiteren berühren die Trenneinrichtungen 18 bei dem Bereich ohne Energieerzeugung nicht direkt die Elektrolytmembran 11 und klemmen die Elektrolytmembran 11 nicht direkt ein.
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In Zwischenräumen zwischen angrenzenden Zellen 19 ist der Bereich ohne Energieerzeugung nicht mit einer Wulstdichtung vorgesehen, sondern ist mit einer Klebschicht 33 (33b) vorgesehen.
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Die Klebschicht 33 (33a, 33b) ist eine Klebschicht, deren Elastizitätsmodul innerhalb des Bereichs von 50 MPa bis 30 MPa liegt und die somit weicher als die herkömmliche Klebschicht ist (der Elastizitätsmodul der herkömmlichen Klebschicht ist größer als 100 MPa).
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Die Klebschicht 33 (33a, 33b) hat eine Dicke von 50 bis 150 µm und ist dicker als die herkömmliche Klebschicht (die Dicke der herkömmlichen Klebschicht ist kleiner als 50 µm). Die Klebschicht 33 kann harte Wülste enthalten. In diesem Fall muss der Durchmesser der Wülste kleiner oder gleich der Dicke der Klebschicht 33 sein.
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Ein aus einem harten Material (zum Beispiel einem Harz) hergestelltes Abstandsstück 34 kann in die Klebschicht 33 (33a, 33b) eingeführt werden, um die Menge von Klebmittel zu reduzieren. Bei dem in 1 gezeigten Aufbau sind Abstandsstücke 34 (die eine kleinere Dicke als der Harzrahmen 7, der in 5 gezeigt ist, haben) zwischen den Trenneinrichtungen 18 jeder Elementarzelle 19 eingeführt. Jedoch können Abstandsstücke auch zwischen die Trenneinrichtungen 18 von angrenzenden Zellen 19 eingesetzt werden.
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Selbst wenn ein Abstandsstück 34 eingesetzt ist, hat die Klebschicht 33 (33a, 33b) eine Dicke, die es der Klebschicht 33 ermöglicht, einen Elastizitätsmodul von 50 MPa bis 30 MPa zu haben. Wenn die Klebschicht 33 übermäßig dünn ist, kann die Klebschicht 33 die Fähigkeit verlieren, als eine elastische Schicht zu dienen. Deshalb ist die Klebschicht 33 mit einer Dicke vorgesehen, die es der Klebschicht 33 ermöglicht, einen Elastizitätsmodul von 50 MPa bis 30 MPa zu haben.
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Wenn bei dem Fall, wo ein Abstandsstück 34 zwischen den Trenneinrichtungen 18 eingesetzt ist, eine Vielzahl von Klebschichten 33 zwischen den Trenneinrichtungen 18 einer Elementarzelle 19 existiert, wird die Gesamtdicke der Klebschichten 33 als die vorstehend erwähnte Dicke der Klebschicht 33 definiert. In 1 sind zwei Abstandsstücke 34 zwischen den zwei Trenneinrichtungen 18 jeder Elementarzelle 19 eingesetzt, so dass drei Klebschichten 33 zwischen den zwei Trenneinrichtungen 18 existieren. Bei diesem Aufbau ist es angebracht, dass die Gesamtdicke der drei Schichten so gesetzt wird, dass die durch die drei Schichten ausgebildete Klebschicht 33 einen Elastizitätsmodul von 50 MPa bis 30 MPa hat.
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Wie es in 4 gezeigt ist, kann der Stapel 23 ein Stapelaufbau sein, bei dem eine Vielzahl von Mehr-Zellen-Modulen 40 (zum Beispiel zehn Modulen), von denen ein jedes durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen 19 (zum Beispiel mehrere Zellen bis mehrere zehn Zellen, beispielsweise zwanzig Zellen) ausgebildet ist, ist in Richtung der Zellstapelrichtung angeordnet, und Wulstdichtungen 32 sind als Dichtungen zwischen den Mehr-Zellen-Modulen 40 vorgesehen. Eine Anordnung in Reihe von zehn Mehr-Zellen-Module 40, wobei jedes zwanzig Zellen hat, bildet einen Stapel 23 von zweihundert Zellen.
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Wenn der Stapel 23 Mehr-Zellen-Module 40 hat, hat der Brennstoffzellenstapel 23 eine Vielzahl an Mehr-Zellen-Modulen 40, die in der Zellstapelrichtung in Reihe angeordnet sind, und ein außerhalb befindliches Bauteil 24.
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Jedes Mehr-Zellen-Modul 40 hat eine Mehr-Zellen-Baugruppe 41, die durch Stapeln einer Vielzahl von Zellen ausgebildet ist, und einen Modulrahmen 42, der eine erste Wand 43 hat, die die Mehr-Zellen-Baugruppe 41 umgibt und sich in der Zellstapelrichtung der Mehr-Zellen-Baugruppe 41 erstreckt.
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Das außerhalb befindliche Bauteil 24 erstreckt sich außerhalb der Mehr-Zellen-Module 40 in der Zellstapelrichtung und über all die Mehr-Zellen-Module 40.
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Bei jedem Mehr-Zellen-Modul 40 wird die Mehr-Zellen-Baugruppe 41 von diesem nicht durch den Modulrahmen 42 des Mehr-Zellen-Moduls 40 in der Zellstapelrichtung zurückgehalten, so dass thermische Ausdehnungen der Zellen 19 in der Zellstapelrichtung abgebaut werden können.
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Bei jedem Mehr-Zellen-Modul 40 wird zwischen einer äußeren Fläche der Mehr-Zellen-Baugruppe 41 des Mehr-Zellen-Moduls 40 und einer inneren Fläche der ersten Wand 43 des Modulrahmens 42 des Mehr-Zellen-Moduls 40 ein Zwischenraum ausgebildet oder ein verformbares Klebbauteil 45 vorgesehen, um die thermischen Ausdehnungen der Zellen 19 abzubauen, die in zu der Zellstapelrichtung orthogonalen Richtungen auftreten.
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Ein externes Zurückhaltebauteil 46 ist zwischen einer inneren Fläche des äußeren Bauteils 24 und äußeren Flächen der ersten Wände 43 der Modulrahmen 42 der einzelnen Mehr-Zellen-Module 40 vorgesehen. Es ist wünschenswert, dass das externe Zurückhaltebauteil 46 aus einem verformbaren Material ausgebildet wird, um die Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung in zu der Zellstapelrichtung orthogonalen Richtungen zwischen der äußeren Fläche der ersten Wand 43 und der inneren Fläche des äußeren Bauteils 24 zu absorbieren. Beispiele eines derartigen verformbaren Materials umfassen ein Harz, ein glasgemischtes Epoxidmaterial, etc. Jedoch ist das Material des externen Zurückhaltebauteils 46 nicht auf das Harz oder das glasgemischte Epoxidmaterial beschränkt.
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Da das externe Zurückhaltebauteil 46 zwischen der äußeren Fläche jeder ersten Wand 43 und der inneren Fläche des äußeren Bauteils 24 angeordnet ist, kann die Trägheitskraft, die zu der Zeit einer Fahrzeugkollision oder dergleichen auf die Mehr-Zellen-Module 40 einwirkt, über das externe Zurückhaltebauteil 46 durch das äußere Bauteil 24 aufgenommen werden. Da das externe Zurückhaltebauteil 46 aus einem verformbaren Material ausgebildet ist, ist das externe Zurückhaltebauteil 46 dazu in der Lage, Unterschiede bei einer thermischen Ausdehnung in zu der Zellstapelrichtung orthogonalen Richtungen zwischen der äußeren Fläche jeder ersten Wand 43 und der inneren Fläche des äußeren Bauteils 24 zu absorbieren.
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Ein Federbehälter 47 ist bezüglich der Vielzahl von Mehr-Zellen-Modulen 40, die in Reihe in der Zellstapelrichtung angeordnet sind, in Reihe in der Zellstapelrichtung angeordnet. Eine Federkraft (konstante Last) von dem Federbehälter 47 wird auf jedes einzelne der Mehr-Zellen-Module 40 in der Zellstapelrichtung ausgeübt. Der Federbehälter 47 hat eine Vielzahl von Federn 48, die parallel zueinander angeordnet sind. Der Federbehälter 47 ist bei einem Endabschnitt des Stapels 23 vorgesehen, wo die Zuführ- und Auslassrohre der verschiedenen Fluide nicht verbunden sind. Der Federbehälter 47 ist zwischen dem Isolator 21 und der Endplatte 22 angeordnet. Die Federkraft von dem Federbehälter 47 kann durch eine Einstellschraube 49, die zwischen dem Federbehälter 47 und der Endplatte 22 vorgesehen ist, eingestellt werden.
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Die Funktionen und Vorteile, die zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel gemeinsam sind, werden beschrieben. Bei dem Brennstoffzellenstapelaufbau der Erfindung, da die Klebschicht 33 (33a) zwischen den zwei Trenneinrichtungen 18 vorgesehen ist, die eine MEA ohne einem Vorsehen eines Aufbaus mit konstanter Dicke (angezeigt durch 7 in 5) oder einem Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke (angezeigt durch 8 in 5) zwischen sich aufweisen, ist es möglich, die Variation der Last auf die MEA zu eliminieren, die durch die variierenden Abmessungen der MEAs aufgrund von Herstellungsfehlern oder dergleichen bewirkt wird. Deshalb weicht die Last auf die MEA nicht beträchtlich von einem Sollwert ab. Infolgedessen gibt es keine durch die von dem Sollwert zu der größeren Seite hin abweichende Last verursachte Verminderung der Haltbarkeit der MEA und die Haltbarkeit der MEA wird stabil. Ferner ist die Verschlechterung bei der Brennstoffzellenleistung, die durch die Lastabweichung von dem Sollwert zu der kleineren Seite hin bewirkt wird, unwahrscheinlich, da es keine erhebliche Abweichung von der Last auf die MEA von dem Sollwert gibt.
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Zum Beispiel bei dem Fall, wo die Befestigungslast, die auf die MEA aufgebracht werden muss, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren, 2 Tonnen ist und eine Extrabefestigungslast von 2 Tonnen aufgebracht wird, um die Aufbringung der benötigten Last auf die MEA trotz einer Lastvariation sicherzustellen, d.h. eine Befestigungslast von insgesamt 4 Tonnen aufgebracht wird, die Haltbarkeit der MEA außergewöhnlich kleiner wird, als bei dem Fall, wo die Gesamtbefestigungslast 2 Tonnen ist. Da jedoch bei dem vorangehenden Aufbau das Vorsehen eines Aufbaus mit einer konstanten Dicke oder eines Aufbaus mit einer pseudo-konstanten Dicke beseitigt wird, kann die Variation der Last auf die MEA eliminiert werden und deshalb kann die Befestigungslast auf 2 Tonnen gesetzt werden. Somit kann die Haltbarkeit der MEA erhöht werden.
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Des Weiteren, da im Unterschied zu dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel keine Variation der Last auf die MEA auftritt, die durch die Abmessungsvariation eines Aufbaus mit konstanter Dicke oder eines Aufbaus mit pseudo-konstanter Dicke bewirkt wird, ist es nicht länger erforderlich, eine Extrabefestigungslast zum Sicherstellen des Aufbringens der benötigten Last auf die MEA trotz einer Lastvariation vorzusehen (eine Extrabefestigungslast wird bei der herkömmlichen Technologie aufgebracht). Deshalb ist gemäß der Erfindung eine entsprechende Verringerung der Stapelbefestigungslast möglich.
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Zum Beispiel bei dem Fall, wo eine Befestigungslast von 2 Tonnen benötigt wird, um einen benötigten Berührungsflächendruck der MEA zu erhalten, benötigt die herkömmliche Technologie das Aufbringen einer Extrabefestigungslast von 2 Tonnen, um die Aufbringung der benötigten Last auf die MEA trotz einer Lastvariation sicherzustellen, d.h. sie benötigt die Aufbringung einer Befestigungslast von insgesamt 4 Tonnen. Bei dem gleichen Fall benötigt die Erfindung nur die Aufbringung der Last von 2 Tonnen zum Erhalten des benötigten Berührungsflächendrucks der MEA plus einem kleinen Betrag einer Last α (α kann beispielsweise 0,2 Tonnen sein). Somit verringert die Erfindung die aufgebrachte Befestigungslast von den herkömmlichen 4 Tonnen auf 2,2 Tonnen.
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Da es des Weiteren nicht erforderlich ist, eine Extrabefestigungslast aufzubringen, wird das Brechen oder ein Verformen der Trenneinrichtungen unwahrscheinlich. Wenn zum Beispiel bei dem Fall, wo eine Befestigungslast von 2 Tonnen benötigt wird, um einen benötigten Berührungsflächenkontakt der MEA zu erhalten, eine Extrabefestigungslast von 2 Tonnen aufgebracht wird, um die Aufbringung der benötigten Last auf die MEA trotz einer Lastvariation sicherzustellen, d.h. eine Befestigungslast von insgesamt 4 Tonnen wird wie bei dem herkömmlichen Stand der Technik angewendet, kann die Extralast von 2 Tonnen an dem Bereich ohne Elektrizitätserzeugung einwirken, was zu dem möglichen Brechen oder Verformen der Trenneinrichtungen führt. Bei dem gleichen Fall benötigt die Erfindung nur das Aufbringen der Last von 2 Tonnen zum Erhalten des benötigten Berührungsflächendrucks der MEA plus einem kleinen Betrag einer Last α (α kann beispielsweise 0,2 Tonnen sein), so dass nur die Last α von 0,2 Tonnen auf den Bereich ohne Energieerzeugung einwirkt, was eine beträchtliche Verringerung von den herkömmlichen 2 Tonnen ist. Somit ist bei der Erfindung das Brechen oder Verformen von Trenneinrichtungen unwahrscheinlich.
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Bei dem Aufbau der Erfindung wird der Aufbau mit konstanter Dicke oder der Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke wie bei dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel durch die Klebschicht 33a ersetzt. Deshalb, da die Traglast durch den Aufbau mit konstanter Dicke oder Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke wie bei der herkömmlichen Technologie eliminiert ist, wird ein Hauptteil der von außerhalb aufgebrachten Stapelbefestigungslast durch die MEA des Elektrizitätserzeugungsbereichs aufgenommen. Das bedeutet, dass die Last auf die MEA durch die von außerhalb aufgebrachte Stapelbefestigungslast gesteuert werden kann. Infolgedessen wird die Handhabung des MEA-Flächendrucks einfach.
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Wenn zum Beispiel bei dem Fall, wo eine Befestigungslast von 2 Tonnen benötigt wird, um einen benötigten Flächendruck der MEA zu erhalten, eine Extrabefestigungslast von 2 Tonnen aufgebracht wird, um die Aufbringung der benötigten Last auf die MEA trotz einer Lastvariation sicherzustellen, d.h. eine Befestigungslast von insgesamt 4 Tonnen wird aufgebracht, kann die Last, die gegenwärtig auf die MEA einwirkt, nicht ohne eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden. Da jedoch die Erfindung frei von der herkömmlichen Traglast durch den Aufbau mit konstanter Dicke oder einen Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke ist, wird ein Hauptteil der von außerhalb aufgebrachten Stapelbefestigungslast von 2 Tonnen durch die MEA des Elektrizitätserzeugungsbereichs aufgenommen und deshalb wird es möglich, die Last auf die MEA durch die von außerhalb aufgebrachte Stapelbefestigungslast von 2 Tonnen zu steuern.
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Da die Traglast durch den Aufbau mit konstanter Dicke oder den Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke wie bei der herkömmlichen Technologie eliminiert wird, variiert die Last auf die MEAs kaum. Deshalb wird die Handhabung eines MEA-Flächendrucks einfach; zum Beispiel kann die Handhabung von diesem nur passend erfüllt werden, indem die Stapelbefestigungslast auf 2 Tonnen gesteuert wird. Da die Federkraft von dem Federbehälter 47 gleichmäßig ist, wird der MEA-Flächendruck bei der Erfindung im Wesentlichen gleichmäßig. Wenn im Gegensatz dazu eine vorbestimmte Stapelbefestigungslast auf einen herkömmlichen Stapel mit Aufbauten mit konstanter Dicke oder Aufbauten mit pseudo-konstanter Dicke aufgebracht wird, variiert die auf die MEAs ausgeübte Last abhängig von den Abmessungsvariationen der Aufbauten mit konstanter Dicke oder der Aufbauten mit pseudo-konstanter Dicke und der MEAs beträchtlich.
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Des Weiteren, da Wulstdichtungen nicht zwischen angrenzenden Zellen 19 vorgesehen sind, jedoch die Klebschichten 33 (33b) dazwischen vorgesehen sind, wird es möglich, einen Aufbau zuverlässiger vorzusehen, bei dem die Stapelbefestigungslast durch den Elektrizitätserzeugungsbereich 35 getragen wird, und nicht von dem Bereich ohne Elektrizitätserzeugung 36 getragen wird (Aufbau von dem Bereich ohne Energieerzeugung 36, der keine Last trägt).
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Des Weiteren ist es nicht länger erforderlich, einen Aufbau mit einer festen Abmessung oder einer pseudo-festen Abmessung für die Wulstdichtung an einer Seite jeder Trenneinrichtung 18 einzusetzen, die der hinteren Fläche der Wulstdichtung zugewandt ist, da die Klebschichten anstelle der Wulstdichtungen vorgesehen sind. Deshalb wird das Vorsehen eines Aufbaus frei von einem Aufbau mit konstanter Dicke an der hinteren Flächenseite der Wulstdichtung der Trenneinrichtung 18 überhaupt kein Problem hervorrufen. Wenn eine Wulstdichtung vorgesehen ist, kann ein Aufbau, der frei von einem Aufbau mit konstanter Dicke ist, nicht eingesetzt werden, und ein Aufbau mit einer festen Abmessung oder einer pseudo-festen Abmessung muss wie bei den herkömmlichen Brennstoffzellenbatterien eingesetzt werden.
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Da die Klebschicht 33 (33a, 33b) aufgebaut ist, damit sie einen Elastizitätsmodul von 50 MPa bis 30 MPa hat, kann die hintere Flächenseite mit Wulstdichtung der Trenneinrichtungen 18 als ein Aufbau angesehen werden, der frei von einem Aufbau mit konstanter Dicke ist, d.h. die Klebschicht 33 ermöglicht eine Ausbildung eines Aufbaus, der keine Last trägt, der verglichen mit der Klebschicht der herkömmlichen Brennstoffzellenbatterie ein weicherer Aufbau ist.
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Da die Klebschicht 33 (33a, 33b) des weiteren aufgebaut ist, um eine Dicke von 50 bis 150 µm aufzuweisen, kann die hintere Flächenseite mit Wulstdichtung der Trenneinrichtungen 18 als ein Aufbau erachtet werden, der einen von einer konstanten Dicke freien Aufbau hat. Ein wünschenswerterer Bereich der Dicke der Klebschicht 33 ist 90 µm bis 110 µm.
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Obwohl das Abstandsstück 34 in die Klebschicht 33 (33a, 33b) eingesetzt ist, ist die Klebschicht 33 mit einer Dicke vorgesehen, die es ermöglicht, dass die Klebschicht einen Elastizitätsmodul von 50 MPa bis 30 MPa hat. Deshalb ist es trotz dem Einsetzen des Abstandsstücks 34 möglich, den von dem Aufbau mit konstanter Dicke freien Aufbau zuverlässig vorzusehen.
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Wenn zumindest einer der vorangehenden Zustände eingesetzt wird, kann der Bereich ohne Energieerzeugung 36 mit einem Aufbau, der keine Last trägt, vorgesehen sein (d.h. einem Aufbau, der im Wesentlichen keine Stapelbefestigungslast trägt).
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Als nächstes werden der Aufbau, die Funktion und Vorteile von besonderen Abschnitten der einzelnen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es ist zu erwähnen, dass die vorangehende Beschreibung der gemeinsamen Abschnitte der Ausführungsbeispiele nachstehend teilweise wiederholt wird.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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Wie es in 1 gezeigt ist, hat das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung die folgenden Merkmale: i) es gibt keinen Aufbau mit konstanter Dicke; ii) es gibt keinen Aufbau mit pseudo-konstanter Dicke, der als ein Ersatz für einen Aufbau mit konstanter Dicke eine Last aufnimmt; iii) es gibt keine Wulstdichtung; und iv) bei dem Bereich ohne Energieerzeugung 36 der Trenneinrichtungen 18 haben sowohl die MEA-Berührungsfläche als auch die Kühlwasserberührungsfläche einen Klebaufbau, der durch die Klebschicht 33 ausgebildet wird.
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Die Funktion und Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels sind wie folgt.
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a) Da der Aufbau mit konstanter Dicke und die Wulstdichtung fehlen, kann die Stapelbefestigungslast reduziert werden. b) Eine Aufbringung der für eine Verminderung des Kontaktwiderstands der MEA benötigte Befestigungslast zuzüglich einer Last α (kleiner Betrag) genügt. Infolgedessen kann der MEA-Flächendruck durch die Befestigungslast gehandhabt werden. c) Da die Extralast an dem Aufbau mit konstanter Dicke im Wesentlichen eliminiert oder verringert wird, ist es unwahrscheinlich, dass ein Brechen oder Verformen der Trenneinrichtungen auftritt.
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[Zweites Ausführungsbeispiel]
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Hinsichtlich einer Ausbeute ist es nicht einfach, einen gesamten Stapel durch Einsetzen des Zellenklebeaufbaus des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung herzustellen. Deshalb ist es in einigen Fällen wünschenswert, dass ein Stapel 23 wie es in 4 gezeigt ist, aufgebaut ist. Das heißt, durch lineares Anordnen einer Vielzahl von Mehr-Zellen-Modulen 40, von denen ein jedes mehrere Zellen (zum Beispiel zumindest fünf Zellen) bis mehrere zehn Zellen hat. In diesem Fall ist ein Anhaften der Mehr-Zellen-Module 40 nicht erwünscht und deshalb werden Wulstdichtungen 32 als Dichtungen zwischen den Mehr-Zellen-Modulen 40 vorgesehen. Da jedoch eine Konstruktion mit einem Aufbau mit einer konstanten Dicke oder einem Aufbau, der frei von einer pseudo-konstanten Dicke ist, eingesetzt wird, wird die Hilfskonstruktion an der hinteren Fläche der Wulstdichtung ein Problem.
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Das zweite Ausführungsbeispiel löst das Problem.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat eine Trenneinrichtung 18 einer Endzelle eines Mehr-Zellen-Moduls 40, das die Wulstdichtung 32 berührt, eine größere Flächensteifigkeit als die Trenneinrichtungen 18 einer mittleren Zelle des Mehr-Zellen-Moduls 40.
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In diesem Fall wird eine Platte 18A (die als „Dummy-Trenneinrichtung“ oder „Endstrukturbauteil“ bezeichnet wird, und die beispielsweise aus einer flachen Platte ausgebildet ist und Löcher der Verteiler 29, 30, 31 aufweist) an der Trenneinrichtung 18 der Endzelle platziert. Die Platte 18A hat eine größere Dicke als die Trenneinrichtungen 18, um eine vergrößerte Steifigkeit zu erhalten.
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Wenn die Platte 18A aufgebracht wird, haften die Platte 18A und die Berührungstrenneinrichtung 18 der Endzelle an dem Bereich ohne Energieerzeugung 36 in einer abdichtenden Art und Weise. Der für die Platte 18A verwendete Kleber kann der gleiche Kleber sein, der die Klebschichten 33 ausbildet.
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Die Funktion und Vorteile des zweiten Ausführungsbeispiels sind wie folgt.
- a) Während der Ertrag dazu neigt, sich zu verschlechtern, wenn ein Stapelaufbau eingesetzt wird, der in einer Art und Weise aus einer Verklebung von mehreren Hundert Zellmodulen ausgebildet ist, kann der Ertrag durch Einsetzen eines Stapelaufbaus mit einer Reihenanordnung von Mehr-Zellen-Modulen verbessert werden, wobei jedes mehrere Zehn von Zellen aufweist.
- b) In Hinblick auf das Abdichten zwischen den Mehr-Zellen-Modulen können die Wulstdichtungen 32 aufgrund der erhöhten Steifigkeit der Endzellentrenneinrichtung, zum Beispiel die durch die Platte 18A erreichte erhöhte Steifigkeit, verwendet werden.
