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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Zellenlaminat, in dem Leistung erzeugende Zellen geschichtet sind.
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Technischer Hintergrund
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Seit einigen Jahren erfahrt ein Brennstoffzellen-Fahrzeug oder dergleichen, das als Energiequelle eine Brennstoffzelle verwendet, die aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Leistung erzeugt, großes Interesse.
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Eine solche Brennstoffzelle ist üblicherweise als Brennstoffzellenstapel aufgebaut, der ein Zellenlaminat aufweist, in dem die benötigte Anzahl von Zellen für die Erzeugung der Leistung aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidierungsgas und Endplatten, die auf den in Laminierungsrichtung äußeren Seiten dieses Zellenlaminats angeordnet sind, um eine Anpresskraft, die mit Krafteinstellschrauben eingestellt wird, an das Zellenlaminat anzulegen, übereinander geschichtet sind.
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Um die gleichmäßige Anpresskraft an das Zellenlaminat anzulegen und um die Schwankung der Anpresskraft zu verringern, ist in dieser Brennstoffzelle weiter ein Federmodul, in dem eine Vielzahl von Federn zwischen Platten angeordnet sind, zwischen dem Zellenlaminat und der Endplatte angeordnet (siehe
JP 2004-288618 A ).
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Offenbarung der Erfindung
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Das genannte Federmodul ist außerdem so aufgebaut, dass eine Kraft an einen Punkt einer Platte angelegt wird, wobei eine Krafteinstellschraube in der Mitte der Endplatte vorgesehen ist. Daher wird die Kraft instabil an die Platte angelegt, und die Anpresskraft, die an das Zellenlaminat angelegt werden soll, ist möglicherweise nicht gleichmäßig.
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Aus den Druckschriften
US 2005/0277012 A1 ,
DE 11 2004 002 300 T5 und
DE 698 12 695 T2 sind weitere Brennstoffzellenanordnungen bekannt, die ein Zellenlamiant aufweisen, das von einer Endplatte eingefasst ist. Um eine Haltespannung auf das Zellenlaminat aufbringen zu können sind in der
US 2005/0277012 A1 und der
DE 11 2004 002 300 T5 Federpakete zwischen einem Paar von Plattenelementen vorgesehen. Die
DE 698 12 695 T2 offenbart hierfür eine Belleville-Feder, die von einer Schraube durchdrungen ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der geschilderten Situation entwickelt, und ihre Aufgabe ist die Schaffung einer Brennstoffzelle, die in der Lage ist, eine Kraft auf stabile Weise an eine Anpressvorrichtung anzulegen, um eine Anpresskraft gleichmäßig an ein Zellenlaminat anzulegen.
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Um die genannte Aufgabe zu lösen, ist eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, die aufweist: ein Zellenlaminat, in dem eine Vielzahl von Zellen übereinander geschichtet sind; eine Endplatte, die an der in Laminierungsrichtung äußeren Seite des Zellenlaminats angeordnet sind; und eine Anpressvorrichtung, die zwischen dem Zellenlaminat und der Endplatte angeordnet ist, um eine Anpresskraft, die an das Zellenlaminat angelegt wird, einzustellen, wobei die Endplatte eine Vielzahl von Krafteinstellschrauben aufweist, wobei die Anpressvorrichtung ein Paar Plattenelemente, ein elastisches Element, das zwischen den Plattenelementen angeordnet ist, um die Plattenelemente aufgrund einer elastischen Kraft voneinander zu trennen, und eine Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen, an die von den Krafteinstellschrauben eine Kraft angelegt wird, aufweist. Die eine Vielzahl von Krafteinstellschrauben aufweisende Endplatte und die Anpressvorrichtung sind so eingerichtet und ausgestaltet, dass ein Eingabemittelpunkt der Kraft, die von den Krafteinstellschrauben der Endplatte an die Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen angelegt werden soll, mit einem Mittelpunkt der elastischen Kraft der Anpressvorrichtung in Übereinstimmung gebracht wird, wobei der Mittelpunkt der elastischen Kraft am Reaktionskraft-Mittelpunkt des Zellenlaminats ausgerichtet ist Da die Vielzahl von Krafteinstellschrauben (auch als Kraft anlegende Abschnitte bezeichnet) die Kraft an die Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen (auch als Kraft eingebende Abschnitte bezeichnet) der Anpressvorrichtung anlegt, kann gemäß diesem Aufbau die Kraft stabil an die Plattenelemente der Anpressvorrichtung angelegt werden. Infolgedessen können eine relative Lageveränderung in Richtung einer Ebene und eine Kippung zwischen den Plattenelementen und der Anpressvorrichtung vermieden werden, so dass die elastische Kraft des elastischen Elements gleichmäßig ausgeübt werden kann, um auf stabile Weise eine gleichmäßige Anpresskraft an das Zellenlaminat anzulegen.
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Die Anpressvorrichtung weist in einer Richtung (einer Längsrichtung) eine planare Form auf, die länger ist als in der anderen Richtung, und die Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen kann in der Längsrichtung der Anpressvorrichtung angeordnet sein.
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Infolgedessen kann die Kraft, die über die Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen an die Plattenelemente der Anpressvorrichtung angelegt wird, stabilisiert werden.
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Der Eingabemittelpunkt der Kraft, die über die Vielzahl von kugeligen Vorsprüngen angelegt werden soll, kann auf den Mittelpunkt der elastischen Kraft der Anpressvorrichtung, die auf den Reaktionskraft-Mittelpunkt des Zellenlaminats ausgerichtet ist, abgestimmt werden.
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Gemäß diesem Aufbau kann die Kraft gleichmäßig an das Zellenlaminat angelegt werden, und außerdem kann die Erzeugung eines unnötigen Moments im Zellenlaminat verhindert werden.
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Der Reaktionskraft-Mittelpunkt des Zellenlaminats kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der äußeren Form eines Separators, der Bestandteil der Zelle ist, und/oder der Position oder der Form einer Fluidleitung (z. B. einer Brenngasleitung, einer Oxidierungsgasleitung oder einer Kühlmittelleitung), die auf mindestens einer Seitenfläche des Separators ausgebildet ist, und/oder der Position oder der Form einer Zweigleitung für die Zu- oder Abfuhr eines Fluids, wie eines Brenngases, eines Oxidierungsgases oder eines Kühlmittels, zu oder von der Fluidleitung und/oder der Kennwerte (z. B. eines Elastizitätskoeffizienten) oder der Position eines Klebstoffs, der die Separatoren aneinander befestigt, und/oder des Kennwerts (z. B. des Elastizitätskoeffizienten) oder der Position eines Dichtungselements, das eine Membran/Elektroden-Anordnung, die Bestandteil der Zelle ist, mit dem Separator versiegelt, bestimmt werden.
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Gemäß der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann die Kraft gleichmäßig an die Anpressvorrichtung angelegt werden, um die Anpresskraft gleichmäßig an das Zellenlaminat anzulegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Schnittansicht, die einen Teil einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
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2 ist eine Schnittansicht entlang der A-A-Linie von 1 und zeigt den Reaktionskraft-Mittelpunkt eines Zellenlaminats;
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3 ist eine Schnittansicht entlang der B-B-Linie von 1 und zeigt den Mittelpunkt der elastischen Kraft eines Federmoduls;
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4 ist eine Schnittansicht entlang der C-C-Linie von 1 und zeigt einen Krafteingabe-Mittelpunkt mit Bezug auf das Federmodul; und
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5 ist eine Schnittansicht, die sich von 4 unterscheidet, und zeigt den Krafteingabe-Mittelpunkt mit Bezug auf das Federmodul.
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Beste Weise der Ausführung der Erfindung
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Nun wird eine erste Ausführungsform einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 bis 5 beschrieben.
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1 zeigt eine Brennstoffzelle 10. Diese Brennstoffzelle 10 ist auf ein in einem Fahrzeug eingebautes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs, ein Leistungserzeugungssystem irgendeiner Art von mobilem Körper, wie eines Schiffes, eines Flugzeugs, eines Zuges oder eines sich fortbewegenden Roboters, ein stationäres Leistungserzeugungssystem zur Verwendung als Leistungserzeugungsausrüstung im Bauwesen (Wohnungsbau, Gebäudewesen oder dergleichen) anwendbar, aber insbesondere wird die Zelle für ein Fahrzeug verwendet.
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Die Brennstoffzelle 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 11 und ein (nicht dargestelltes) Stapelgehäuse auf, das die Außenseite dieses Brennstoffzellenstapels 11 bedeckt und das aus einem isolierenden Material, wie einem Kunstharz, gefertigt ist. Der äußere Teil des Brennstoffzellenstapels 11 wird durch Miteinanderverbinden der Außenränder eines Paares von rechtwinkligen Endplatten 12 (eine davon ist nicht dargestellt) über Spannplatten 13 aufgebaut, und diese Endplatten 12 und die Spannplatten 13 sind beispielsweise aus Duralumin oder dergleichen gebildet.
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Darüber hinaus ist der Brennstoffzellenstapel 11 mit einem Zellenlaminat 22 versehen, in dem die benötigte Anzahl von Zellen 21, die, in einer Ebene gesehen, eine rechteckige Form aufweisen und die das zugeführte Brenngas und Oxidierungsgas aufnehmen, um Leistung zu erzeugen, zwischen den Endplatten 12 übereinander geschichtet ist. Weiter sind zwischen einer der Endplatten 12 und dem Zellenlaminat 22 ein Federmodul (eine Anpressvorrichtung) 23, eine Isolierplatte 24, eine Anschlussklemmplatte 25 und eine Abdeckplatte 26 in dieser Reihenfolge von der Seite der Endplatte 12 aus angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Abdeckplatte 26 weggelassen werden kann.
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Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl nicht dargestellt, zwischen der anderen Endplatte 12 und dem Federmodul 23 die Isolierplatte 24, die Anschlussklemmplatte 25 und die Abdeckplatte 26 in dieser Reihenfolge von der Seite der Endplatte 12 aus angeordnet sind.
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Weiter besteht die Endplatte 12 auf der Seite, die mit dem Federmodul 23 versehen ist, aus einem rechteckigen Endplatten-Hauptkörper 30, der mit den Spannplatten 13 verbunden ist, und Zapfen 31, die in Regionen auf den Innenseiten der Verbindungspositionen zwischen dem Endplatten-Hauptkörper 30 und dem Spannplatten 13 vorgesehen sind.
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Der Endplatten-Hauptkörper 30 ist mit einer Vielzahl von Durchgangsbohrungen 32 versehen, die in Dickenrichtung durch den Hauptkörper hindurch verlaufen. Die Zapfen 31 liegen am Endplatten-Hauptkörper 30 auf der Seite des Federmoduls 23 an, um die Endplatte 12 einschließlich des Endplatten-Hauptkörpers 30 zu verstärken. Jeder dieser Zapfen 31 weist einen vorstehenden zylindrischen Abschnitt 35, in dem ein Innengewinde 34 ausgebildet ist, und einen im Wesentlichen scheibenartigen Flanschabschnitt 36 auf, der von der in axialer Richtung mittleren Position dieses vorstehenden Abschnitts 35 in radialer Richtung zum gesamten Umfang verläuft und der entlang der gleichen Achse wie der vorstehende Abschnitt 35 eine konstante Dicke aufweist.
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Weiter wird in einem zylindrischen Abschnitt 37 des vorstehenden Abschnitts 35, der vom Flanschabschnitt 36 auf einer Seite in axialer Richtung vorsteht, der Zapfen 31 in die Durchgangsbohrung 32 des Endplatten-Hauptkörpers 30 eingeführt, und die gesamte Fläche des Flanschabschnitts 36 wird mit dem Endplatten-Hauptkörper 30 in Kontakt gebracht. Es sei darauf hingewiesen, dass die Länge des zylindrischen Abschnitts 37 eines der Zapfen 31 in axialer Richtung derjenigen der Durchgangsbohrung 32 des Endplatten-Hauptkörpers 30 in der axialen Richtung gleich ist und dass die Stirnfläche des zylindrischen Abschnitts 37 ebenso planar ist wie die äußere Stirnfläche des Endplatten-Hauptkörpers 30.
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Weiter weist die Endplatte 12 eine Vielzahl von Krafteinstellschrauben (Kraft anlegenden Abschnitten) 41 auf, die mit den Innengewinden 34 der Zapfen 31 in Eingriff zu bringen sind, und jede dieser Krafteinstellschrauben 41 liegt an einem kugeligen Vorsprung 28 an, der auf der Seite der Endplatte 12 auf dem Federmodul 23 ausgebildet ist. Hierbei ist jede der Krafteinstellschrauben 41 auf der Seite des Vorsprungs 28 mit einem Aussparungsabschnitt 43 versehen, und dieser Aussparungsabschnitt 43 wird mit dem Vorsprung 28 in Eingriff gebracht.
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Darüber hinaus ist die Krafteinstellschraube 41 auf der Seite, die dem Vorsprung 28 gegenüber liegt, mit einem Werkzeug-Einpassabschnitt 42 versehen, in den ein Werkzeug, wie ein hexagonaler Bolzen, eingepasst wird, und die Krafteinstellschraube 41 wird über ein Werkzeug, das in diesen Werkzeug-Einpassabschnitt 42 eingepasst wird, gedreht, um einen Abstand zwischen der Endplatte 12 und dem Ende des Zellenlaminats 22 einzustellen, wodurch eine Anpresskraft, die auf das Zellenlaminat 22 ausgeübt werden soll, eingestellt wird.
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Das Federmodul 23 ist in Form eines Rechtecks ausgebildet, das, wenn in einer Ebene betrachtet, in einer Richtung (einer Längsrichtung) länger ist als in der anderen Richtung, und weist eine obere Platte (ein oberes Plattenelement) 51 auf der Seite der Endplatte 12 und eine untere Platte (ein Plattenelement) 52 auf der Seite des Zellenlaminats 22 auf, und eine Vielzahl von Spiralfedern (elastischen Elementen) 53 ist zwischen der oberen Platte 51 und der unteren Platte 52 angeordnet.
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Die obere Platte 51 und die untere Platte 52 sind aus einem Metallwerkstoff, wie Aluminium, mit einem niedrigen spezifischen Gewicht ausgebildet, und die obere Platte 51 ist mit den Vorsprüngen 28 versehen, die mit den Krafteinstellschrauben 41 in Kontakt gebracht werden sollen.
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Darüber hinaus weist das Federmodul 23 eine Skalenplatte 57 auf, die auf der oberen Platte 51 vorgesehen ist, und eine Zeigerplatte 58, die auf der unteren Platte 52 vorgesehen ist, und die Endposition der Zeigerplatte 58 kann mit der Skalenplatte 57 gelesen werden, um die Anpresskraft zu ermitteln, die über das Federmodul 23 an das Zellenlaminat 22 angelegt werden soll.
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Hierbei zeigt 2 einen Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22, der vom Federmodul 23 aufgenommen wird. Die Position des Reaktionskraft-Mittelpunkts A dieses Zellenlaminats 22 wird durch die Form des Separators, der Bestandteil der Zelle 21 ist (z. B. der äußeren Form des Separators, der Position, der Form oder dergleichen einer Fluidleitung (z. B. einer Brenngasleitung, einer Oxidierungsgasleitung oder einer Kühlmittelleitung), die auf mindestens einer Seitenfläche des Separators ausgebildet ist, und/oder eines Zweigrohrs für die Zu- oder Abfuhr eines Fluids, wie eines Brenngases, eines Oxidierungsgases oder eines Kühlmittels, zu oder von der Fluidleitung usw.), und/oder des Elastizitätsmoduls (Young'schen Moduls) und/oder der Position eines Klebstoffs, der die Separatoren miteinander verbindet, und/oder eines Dichtungselements, das eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA), die Bestandteil der Zelle 21 ist, mit dem Separator versiegelt, oder dergleichen bestimmt. Die Position des Reaktionskraft-Mittelpunkts wird durch Simulation, Berechnung oder dergleichen ermittelt.
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Außerdem zeigt 3 einen Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, im Federmodul 23. Dieser Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, ist beispielsweise in einem Fall, wo die Spiralfedern 53 gleichmäßig zwischen der oberen Platte 51 und der unteren Platte 52 angeordnet sind, der geometrische Mittelpunkt des Federmoduls 23. Jedoch stimmt der Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, der diesem geometrischen Mittelpunkt entspricht, nicht ständig mit dem Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22 überein.
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Daher werden in dem Federmodul 23 die Positionen der Spiralfedern 53 oder die Federkonstanten der Spiralfedern 53 so bestimmt, dass der Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, mit dem Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22 übereinstimmt.
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4 und 5 zeigen einen Krafteingabe-Mittelpunkt C des Federmoduls 23. Dieser Krafteingabe-Mittelpunkt C ist die zentrale Position einer Kraft, die an das Federmodul 23 angelegt (eingegeben) werden soll. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Krafteingabe-Mittelpunkt die mittlere Position der Kraft, die von zwei Krafteinstellschrauben 41, die auf der Endplatte 12 vorgesehen sind, an zwei Vorsprünge 12 angelegt werden soll. Genauer ist der Krafteingabe-Mittelpunkt C ein Mittelpunkt auf einer geraden Linie, die Kraft eingebenden Abschnitte 28a, die von den Mittelpunkten der Vorsprünge 28 gebildet werden, verbindet.
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Weiter wird im Federmodul 23 dieser Krafteingabe-Mittelpunkt C auf den Reaktionskraft-Mittelpunkt A und den Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, des Zellenlaminats 22 abgestimmt. Es sei darauf hingewiesen, dass in einem Fall, wo die Kraft an einer einzigen Position eingegeben wird, der Kraft eingebenden Abschnitt, an den die Kraft angelegt wird, der Krafteingabe-Mittelpunkt C ist. Wenn die Kraft an drei oder mehr Positionen angelegt wird, ist der Krafteingabe-Mittelpunkt die Schwerpunktposition eines Polygons, das durch Verbinden der jeweiligen Kraft eingebenden Abschnitte gebildet wird. Außerdem können die Federkonstanten der Spiralfedern 53 des Federmoduls 23 geändert werden, um den Krafteingabe-Mittelpunkt C einzustellen.
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Wie oben beschrieben, wird im Verfahren zur Abstimmung des Reaktionskraft-Mittelpunkts A, des Mittelpunkts der elastischen Kraft, B, und des Krafteingabe-Mittelpunkts C zuerst der Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22 durch Simulation, impraktikable Berechnung oder dergleichen ermittelt. Dann werden die Positionen der Spiralfedern 53 oder die Federkonstanten der einzelnen Spiralfedern 53 so eingestellt, dass der Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, des Federmoduls 23 mit dem Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22 übereinstimmt.
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Danach werden die Positionen der Kraft engebenden Abschnitte 28a, die von den Mittelpunkten der Vorsprünge 28, an welche die Kraft angelegt wird, gebildet werden, eingestellt, und die Kraft wird durch die Krafteinstellschrauben 41 eingestellt, um den Krafteingabe-Mittelpunkt C des Federmoduls 23 auf den Reaktionskraft-Mittelpunkt A und den Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, abzustimmen.
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Dann wird in der Brennstoffzelle 10 die Anpresskraft, die durch die Krafteinstellschrauben 41 an das Zellenlaminat 22 angelegt werden soll, durch das Federmodul 23, das eine Vielzahl von Spiralfedern 53 aufweist, in Richtung einer Ebene gleichmäßig gemacht, und die Schwankung der Anpresskraft aufgrund einer Ausdehnung/Kontraktion während einer Leistungserzeugung wird absorbiert.
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Dabei wird gemäß der Brennstoffzelle 10 die Kraft durch eine Vielzahl von Krafteinstellschrauben 41 aber die Vielzahl von Kraft eingebenden Abschnitten 28a angelegt, so dass die Kraft auf stabile Weise an die obere Platte 51 des Federmoduls 23 angelegt werden kann.
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Genauer sind die Abschnitte 28a, in die von den Krafteinstellschrauben 41 Kraft eingegeben wird, in Längsrichtung des Federmoduls 23 angeordnet, das eine plane Rechteckform aufweist, die in einer Richtung (der Längsrichtung) länger ist als in der anderen Richtung, so dass die Kraft, die über die Vielzahl von Kraft eingebenden Abschnitten 28a an die obere Platte 51 des Federmoduls 23 angelegt werden soll, stabilisiert werden kann.
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Infolgedessen können die relative Verlagerung in der Richtung einer Ebene und die Kippung zwischen der oberen Platte 51 und der unteren Platte 52 des Federmoduls 23 verhindert werden, und die elastische Kraft der Spiralfedern 53 kann gleichmäßig ausgeübt werden, um die gleichmäßige Anpresskraft auf stabile Weise an das Zellenlaminat 22 anzulegen.
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Außerdem wird der Krafteingabe-Mittelpunkt C, der über die Vielzahl von Kraft eingebenden Abschnitten 28a beaufschlagt wird, auf den Mittelpunkt der elastischen Kraft, B, des Federmoduls 23, der am Reaktionskraft-Mittelpunkt A des Zellenlaminats 22 ausgerichtet ist, abgestimmt, so dass die Kraft gleichmäßig an das Zellenlaminat 22 angelegt werden kann, und die Erzeugung eines unnötigen Moments im Zellenlaminat 22 verhindert werden kann.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das Federmodul 23 nicht auf ein Modul beschränkt ist, das eine Vielzahl von Spiralfedern 53 aufweist, und dass das Modul eine einzige Spiralfeder oder eine Tellerfeder anstelle der Spiralfeder umfassen kann.
