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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 erfährt 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
japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
Nr. 2004-288618 ).
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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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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; Endplatten, die an den in Laminierungsrichtung äußeren
Seiten des Zellenlaminats angeordnet sind; und eine Anpressvorrichtung,
die zwischen dem Zellenlaminat und der Endplatte vorgesehen ist,
um eine Anpresskraft, die an das Zellenlaminat angelegt wird, einzustellen,
wobei die Endplatten eine Vielzahl von Kraft anlegenden Abschnitten
aufweisen, 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 Kraft eingebenden Eabschnitten,
an die von den Kraft anlegenden Abschnitten eine Kraft angelegt
wird, aufweist.
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Da
die Vielzahl von Kraft anlegenden Abschnitten die Kraft an die Vielzahl
von Kraft eingebenden Abschnitten 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 Kraft eingebenen Abschnitten kann
in der Längsrichtung der Anpressvorrichtung angeordnet sein.
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Infolgedessen
kann die Kraft, die über die Vielzahl von Kraft eingebenen
Abschnitten an die Plattenelemente der Anpressvorrichtung angelegt wird,
stabilisiert werden.
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Der
Eingabemittelpunkt der Kraft, die über die Vielzahl von
Kraft eingebenden Abschnitten 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 Schif fes,
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 Verbindungs positionen 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 aus gebildet
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 über
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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLE
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Es
wird eine Brennstoffzelle 10 geschaffen, die ein Zellenlaminat 22 mit
einer Vielzahl von laminierten Zellen 21, eine Endplatte 12,
die in Laminierungsrichtung auf der äußeren Seite
des Zellenlaminats 22 angeordnet ist, und ein Federmodul 23,
das zwischen dem Zellenlaminat 22 und der Endplatte 12 angeordnet
ist, um eine Anpresskraft auf dem Zellenlaminat 22 einzustellen,
aufweist. Das Federmodul 23 weist eine Spiralfeder 53 auf,
die zwischen einer oberen Platte 51 und einer unteren Platte 52 angeordnet
ist, um die obere Platte 51 und die untere Platte 52 durch
eine elastische Kraft voneinander zu trennen. Die Endplatte 12 weist
eine Vielzahl von Krafteinstellschrauben 41 auf. Das Federmodul 23 erhält von
den Krafteinstellschrauben 41 eine Kraft an einer Vielzahl
von Kraft eingebenden Abschnitten 28a.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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