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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, in der ein
Haftmittel verwendet wird.
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Technischer Hintergrund
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Bislang
hat eine Zelleneinheit einer Festpolymer-Brennstoffzelle aus einer
Membranelektrodenanordnung (MEA), die einen Elektrolytfilm und ein Paar
von Elektroden beinhaltet, die zwischen dem Elektrolytfilm sandwichartig
angeordnet sind, und einem Paar von Separatoren bestanden, zwischen
denen die MEA sandwichartig angeordnet ist (siehe z. B. die
japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift
2002-367631 ). Jeder Separator der Zelleneinheit ist mit
Zuführverteilern und Abführverteilern für ein
Oxidationsgas und ein Brenngas versehen. In einer Oxidationsgasleitung
von dem einen Separator strömt das Oxidationsgas vom Zuführverteiler
zum Abführverteiler. In einer Brenngasleitung des anderen
Separators strömt das Brenngas vom Zuführverteiler
zum Abführverteiler.
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Ein
Bereich zwischen dem Separatorenpaar und ein Bereich zwischen dem
Separator und dem Elektrolytfilm sind mit einer flüssigen
Dichtung (einem Haftmittel) abgedichtet, die entlang dem äußeren Umfang
der Zelleneinheit angeordnet ist. In einem jeweiligen Separator
sind Ansammlungsabschnitte in sowohl dem inneren Umfangsbereich
als auch dem äußeren Umfangsbereich einer Abdichtungsfläche ausgebildet,
die mit dem Haftmittel versehen ist. Die Ansammlungsabschnitte verhindern,
dass das Haftmittel während eines Fertigungsvorgangs der
Zelleneinheit in die Verteiler oder aus der Zelleneinheit heraus
gelangt und ähnliches.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
anderen Bauteilen mit Ausnahme der vorstehenden Verteiler und dergleichen
kann es aufgrund eines austretenden Haftmittels gelegentlich zu Problemen
kommen. Bislang ist dieser Punkt in Untersuchungen jedoch nicht
ausreichend berücksichtigt worden. Somit bestünde
die Möglichkeit, dass ein Haftmittel in einen Gasverbindungsweg
strömt, der den Verteiler mit einer Gasleitung verbindet,
so dass der Gasverbindungsweg dadurch verschlossen wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle
zu schaffen, die in der Lage ist, das Heraustreten bzw. Austreten
des Haftmittels in den Gasverbindungsweg zu verhindern.
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Zur
Lösung der vorstehenden Aufgabe weist eine Brennstoffzelle
der vorliegenden Erfindung eine Gasleitung in einem Leistungserzeugungsbereich; einen
Verteiler in einem Nichtleistungserzeugungsbereich; einen Gasverbindungsweg,
der die Gasleitung und den Verteiler miteinander verbindet, ein Haftmittel,
das in der Nähe von zumindest dem Gasverbindungsweg verwendet
wird; und einen Haftmittel-Ansammlungsabschnitt auf, der in der
Nähe des Gasverbindungswegs angeordnet ist, um das Einströmen
des Haftmittels in den Gasverbindungsweg zu verhindern.
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Selbst
wenn die benötigte oder eine größere Menge
eines Haftmittels in der Nähe des Gasverbindungswegs verwendet
wird, kann bei diesem Aufbau der Haftmittelansammlungsabschnitt
vorzugsweise das Heraustreten des Haftmittels in den Gasverbindungsweg
verhindern. Folglich kann die Verringerung des Leitungsquerschnitts
des Gasverbindungswegs oder ein Verschluss des Wegs verhindert werden.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung weist
die Brennstoffzelle eine Dichtungsnut auf, die in der Nähe
von zumindest dem Gasverbindungsweg angeordnet ist und in der das
Haftmittel bereitgestellt ist. Die Dichtungsnut steht mit dem Haftmittelansammlungsabschnitt
in Verbindung, so dass das Haftmittel durch die Dichtungsnut und
den Haftmittelansammlungsabschnitt strömt.
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Selbst
wenn das überschüssige Haftmittel aus der Dichtungsnut überläuft,
kann bei diesem Aufbau das Haftmittel aus der Dichtungsnut in den
Haftmittelansammlungsabschnitt strömen.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt
es sich bei dem Haftmittelansammlungsabschnitt um eine Nut, die
tiefer ausgeführt ist als die Dichtungsnut.
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Selbst
wenn eine große Menge eines Haftmittels aus der Dichtungsnut überläuft,
kann bei diesem Aufbau das Haftmittel vorzugsweise in dem Haftmittelansammlungsabschnitt
aufgenommen werden.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung weist
die Brennstoffzelle ein erstes Element, das mit zumindest dem Haftmittelansammlungsabschnitt
und der Dichtungsnut versehen ist; und ein zweites Element auf,
das auf das erste Element geschichtet ist und mit dem ersten Element
durch das Haftmittel verbunden ist. Das erste Element weist einen
Verbindungsbereich, der zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und
der Dichtungsnut ausgebildet ist, so dass das Haftmittel zwischen
dem Haftmittelansammlungsabschnitt und der Dichtungsnut strömt,
und einen Lagerungsbereich auf, der das zweite Element lagert.
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Ursprünglich
handelt es sich bei dem Haftmittelansammlungsabschnitt um einen
Bereich, der nicht mit dem Haftmittel befüllt ist, und
somit kann zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und dem zweiten
Element ein Zwischenraum ausgeführt werden. Wenn daher
eine von außen einwirkende Kraft auf das zweite Element
ausgeübt wird, wirkt aufgrund dieses Zwischenraums ein
großer Druck auf das zweite Element, und das zweite Element könnte
dadurch verformt werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung funktioniert der den vorstehenden Aufbau aufweisende Lagerungsbereich
als ein Sicherungselement für das zweite Element, so dass
die Verformung des zweiten Elements verhindert werden kann. Da der
Verbindungsbereich zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und
der Dichtungsnut angeordnet ist, kann die Strömungsbewegung des
Haftmittels in den Haftmittelansammlungsabschnitt sichergestellt
werden.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt
es sich bei dem ersten Element um ein rahmenartiges Element, das
einen Teil einer MEA lagert, und bei dem zweiten Element um einen
Separator, der mit der Gasleitung versehen ist.
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Folglich
kann an der Position des Haftmittelansammlungsabschnitts des rahmenartigen
Elements verhindert werden, dass der Separator verformt wird, und
darüber hinaus kann die Strömungsbewegung des
Gases durch den Gasverbindungsweg und die Gasleitung sichergestellt
werden.
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Gemäß einer
weiteren zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung
weist die Brennstoffzelle ein drittes Element, das auf das zweite
Element auf einer dem ersten Element gegenüberliegenden
Seite geschichtet ist, und ein Dichtungselement auf, mit dem ein
Bereich zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element abgedichtet
ist. Ein Teil des Dichtungselements ist an einer Position angeordnet,
die dem Lagerungsbereich entspricht und von dem Verbindungsbereich
in der Schichtungsrichtung des ersten, zweiten und dritten Elements
abweicht.
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Wenn
ein Teil des Dichtungselements an einer Position angeordnet ist,
die von dem Lagerungsbereich des ersten Elements abweicht und die
dem Verbindungsbereich entspricht, könnte eine von außen
in der Schichtungsrichtung einwirkende Kraft das zweite Element
verformen, so dass der Verbindungsbereich verschlossen wird. Gemäß dem
vorstehenden Aufbau der vorliegenden Erfindung kann jedoch, selbst
wenn die von außen in der Schichtungsrichtung einwirkende
Kraft ausgeübt wird, die Verformung des zweiten Elements
durch den Lagerungsbereich verhindert und der Leitungsquerschnitt des
Verbindungsbereichs zuverlässig aufrechterhalten werden.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt
es sich bei dem ersten und dem zweiten Element um Elemente, die
eine erste Zelleneinheit darstellen, und bei dem dritten Element
handelt es sich um ein Element, das eine zweite Zelleneinheit darstellt.
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Obgleich
bei diesem Aufbau das Heraustreten bzw. Austreten des Haftmittels
in den Gasverbindungsweg und die Verformung des zweiten Elements verhindert
werden kann, können die Zelleneinheiten aneinander geschichtet
werden.
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Gemäß einer
zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung sind die
Haftmittelansammlungsabschnitte zu beiden Seiten des Gasverbindungswegs
positioniert und erstrecken sich in der gleichen Richtung wie eine
Gasströmungsrichtung in dem Gasverbindungsweg.
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Bei
diesem Aufbau kann zu beiden Seiten des Gasverbindungswegs das Heraustreten
des Haftmittels in den Gasverbindungsweg verhindert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform darstellt;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleneinheit der
Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform
darstellt;
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3 ist
eine Schnittansicht, die die Zelleneinheit der Brennstoffzelle gemäß der
ersten Ausführungsform darstellt;
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4 ist
eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete
Struktur gemäß der ersten Ausführungsform
darstellt;
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5 ist
eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete
Struktur gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt;
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6 ist
eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete
Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform
darstellt;
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7 ist
eine Draufsicht, die einen Teil eines Harzrahmens aus der Pfeilrichtung
des Linie VII-VII von 6 darstellt, und ein Diagramm,
das eine Sicherungsstruktur eines Separators darstellt;
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8 eine
Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete
Struktur gemäß einer dritten Ausführungsform
darstellt; und
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9 ist
eine Draufsicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete
Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform
darstellt, wobei die Draufsicht ähnlich der von 7 ist.
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Beste Art und Weise des Ausführens
der Erfindung
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Nachstehend
erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung eine
Beschreibung einer Brennstoffzelle gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
entsprechend einem Beispiel einer für ein Fahrzeug geeigneten Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle.
Ein die Brennstoffzelle beinhaltendes Brennstoffzellensystem kann
nicht nur an einem Fahrzeug angebracht werden, sondern auch an einer
mobilen Karosserie mit Selbstantrieb, wie z. B. einem Schiff, einem
Flugzeug oder einem Roboter, und es kann auch als ein stationäres
Leistungserzeugungssystem verwendet werden.
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<Erste
Ausführungsform>
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Wie
in 1 gezeigt ist, weist eine Brennstoffzelle 1 eine
Schichtungsstapelstruktur auf, in der eine große Anzahl
von Zelleneinheiten 2 als Grundeinheiten nebeneinander
geschichtet sind. Die Brennstoffzelle 1 weist einen Aufbau
auf, in dem Kollektorplatten 5, Isolierplatten 6 und
Endplatten 7 aufeinanderfolgend außerhalb der
Zelleneinheiten 2 angeordnet sind, die an beiden Enden
der Stapelstruktur positioniert sind. Die Endplatten 7, 7 sind
beispielsweise durch eine Spannplatte 9 miteinander verbunden,
und die Brennstoffzelle 1 gelangt in einen Zustand, in
dem eine vorbestimmte Kom pressionslast in der Schichtungsrichtung
der Zelleneinheiten 2 ausgeübt wird. Zwischen
einem Paar von plattenartigen Elementen 12, 12 sind
elastische Module angeordnet, die beispielsweise eine Schraubenfeder
beinhalten, die eine Haltekraft (Druckbelastung) auf die Brennstoffzelle 1 ausübt.
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Ein
Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel werden der Brennstoffzelle 1 aus
den Zuführkanälen 15a, 16a und 17a der
Endplatte 7 so zugeführt, dass sie in der Zellenschichtungsrichtung
und in der planaren Richtung der Zelleneinheiten 2 strömen.
Danach werden das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel
aus der Brennstoffzelle 1 durch Abführkanäle 15b, 16b und 17b der
Endplatte 7 abgeführt.
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In
diesem Fall handelt es sich bei dem Brenngas um ein Wasserstoffgas
(ein Anodengas), das einen Wasserstoff beinhaltet. Außerdem
handelt es sich bei dem Oxidationsgas um ein Gas (ein Kathodengas),
das ein Oxidationsmittel beinhaltet, das beispielsweise Sauerstoff
sein kann. Für das Brenngas und das Oxidationsgas wird
gelegentlich der Oberbegriff Reaktionsgas verwendet. Bei dem Kühlmittel
handelt es sich beispielsweise um ein Kühlwasser.
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Wie
in 2 gezeigt ist, beinhaltet eine jeweilige Zelleneinheit 2 eine
MEA 20, ein Paar von Separatoren 22A, 22B und
ein Paar von Harzrahmen 24A, 24B. In der Zelleneinheit 2 sind
der Separator 22A, der Harzrahmen 24A, die MEA 20,
der Harzrahmen 24B und der Separator 22B in eben
dieser Reihenfolge aneinandergeschichtet. Ferner werden die äußeren
Umfangskanten dieser Elemente in einem Fertigungsvorgang durch ein
Haftmittel aneinander befestigt, und die Bereiche zwischen den Elementen werden
dadurch abgedichtet.
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Die
MEA 20 (die Membranelektrodenanordnung) besteht aus einem
Elektrolytfilm 30 und einem Paar von Elektroden 32A, 32B (einer
Anode und einer Kathode), zwischen denen der Elektrolytfilm 30 sandwichartig
angeordnet ist.
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Der
Elektrolytfilm 30 besteht aus einer Ionenaustauschmembran.
Der Elektrolytfilm 30 weist eine Funktion zum Bewegen der
aus dem Brenngas zugeführten Was serstoffionen von der Elektrode 32A zur Elektrode 32B auf.
Der Elektrolytfilm 30 ist so ausgebildet, dass er größer
ist als die Elektroden 32A, 32B, und er ist mit
den Elektroden 32A, 32B zusammengefügt,
während eine Umfangskante 34 beispielsweise durch
einen Heißpressvorgang ausgespart bleibt.
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Wie
in 3 gezeigt ist, besteht eine jeweilige der Elektroden 32A, 32B aus
einer Diffusionsschicht 36 und einer Katalysatorschicht 38.
Die Diffusionsschicht 36 besteht beispielsweise aus einem porösen
Kohlenstoffmaterial. Als Katalysator für die Katalysatorschicht 38 wird
z. B. vorzugsweise Platin verwendet, und die Katalysatorschicht 38 ist
mit der Diffusionsschicht 36 verbunden.
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Die
Diffusionsschicht 36 der Elektrode 32A ist gegenüber
einer Brenngasleitung 40 des Separators 22A angeordnet
und dient dazu, das Brenngas hindurchzuleiten, und außerdem
dazu, die Katalysatorschicht 38 mit dem Separator 22A elektrisch
zu verbinden. Die Diffusionsschicht 36 der Elektrode 32B ist
einer Oxidationsgasleitung 42 des Separators 22B angeordnet,
und dient dazu, das Oxidationsgas hindurchzuleiten, und außerdem
dazu, die Katalysatorschicht 38 mit dem Separator 22B elektrisch
zu verbinden.
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Die
Separatoren 22A, 22B sind aus einem leitfähigen,
gasundurchlässigen Material gefertigt. Beispiele für
das leitfähige Material beinhalten Kohlenstoff, ein leitfähiges
Hartharz sowie Metalle wie Aluminium und rostfreien Stahl. In der
vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den Separatoren 22A, 22B um
sogenannte Metallseparatoren, die jeweils ein Basismaterial beinhalten,
das aus einem plattenartigen Metall gefertigt ist. Die Fläche
des Basismaterials, das der Elektrode 32A oder 32B gegenüberliegt,
kann mit einem Film beschichtet sein, der eine Korrosionsbeständigkeit
aufweist, die viel besser ist als die des Basismaterials.
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Der
Separator 22A weist auf seiner Oberfläche die
Brenngasleitung 40 auf, und auf seiner Rückseite
eine Kühlmittelleitung 44A. Der Separator 22B weist
auf seiner Oberfläche die Oxidationsgasleitung 42 und
auf seiner Rückseite die Kühlmittelleitung 44B.
Die Brenngasleitung 40, die Oxidationsgasleitung 42 und
die Kühlmittelei tung 44A, 44B sind als eine
Mehrzahl von nutenartigen Leitungen ausgebildet, bei denen es sich
um gerade Leitungen handelt, in denen sich ein sich wiederholendes
Konkav-Konvex-Muster in einer Richtung erstreckt. Diese Leitungen
können jedoch auch serpentinenartige Leitungen sein, die
auf halber Strecke Wendebereiche aufweisen.
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Durch
die Brenngasleitung 40 wird der Elektrode 32A ein
Brenngas zugeführt. Die Oxidationsleitung 42 führt
der Elektrode 32B das Oxidationsgas zu. Das durch die Brenngasleitung 40 strömende Brenngas
und das durch die Oxidationsgasleitung 42 strömende
Oxidationsgas bewirken in der MEA 20 eine elektrochemische
Reaktion, um die elektromotorische Kraft der Zelleneinheit 2 zu
erhalten. Bei zwei benachbarten Zelleneinheiten 2,2 ist
die Kühlmittelleitung 44A einer der Zelleneinheiten 2 mit
der Kühlmittelleitung 44B der anderen Zelleneinheit 2 verbunden.
Folglich ist die Leitung zum Zuführen des Kühlmittels
zwischen den Zelleneinheiten 2 und 2 ausgebildet.
Das Kühlmittel verringert die Wärme der Zelleneinheiten 2,
die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, und unterdrückt
den Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 1.
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Die
Brenngasleitung 40 und die Kühlmittelleitung 44A auf
beiden Oberflächen des Separators 22A werden durch
Pressformen des Separators 22A gleichzeitig ausgebildet,
und die Oxidationsgasleitung 42 und die Kühlmittelleitung 44B auf
beiden Oberflächen des Separators 22B werden ebenfalls durch
Pressformen des Separators 22B gleichzeitig ausgebildet.
Das heißt, dass die Separatoren 22A, 22B in
einer derartigen Beziehung zueinander stehen, dass die konkav-konvexen
Formen, die die Fluidleitungen ausbilden, auf der Oberfläche
und auf der Rückseite umgekehrt zueinander angeordnet sind.
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In
einer Draufsicht weisen die Separatoren 22A, 22B eine
rechtwinkelige Form auf. Die Separatoren 22A, 22B weisen
um die Brenngasleitung 40 und die Oxidationsgasleitung 42 herum
Umfangskanten 26A, 26B auf.
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In
einem Seitenbereich einer jeweiligen der Umfangskanten 26A, 26B sind
Verteiler 51a, 52a und 53a auf der Zuführseite
des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels
so ausgebildet, dass sie sich durch den einen Seitenbereich hindurch erstrecken.
Außerdem sind in dem anderen Seitenbereich einer jeweiligen
der Umfangskanten 26A, 26B die Verteiler 51b, 52b und 53b auf
der Abführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und
des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den
anderen Seitenbereich hindurch erstrecken. Diese Verteiler 51a bis 53a und 51b bis 53b stehen
mit den Zuführkanälen 15a bis 17a und
den Abführkanälen 15b bis 17b der
vorstehenden Endplatten 7 in Verbindung, so dass sie mit
den Fluiden, wie z. B. dem Brenngas, dem Oxidationsgas und dem Kühlmittel, korrespondieren.
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Die
Harzrahmen 24A, 24B sind zu einer rahmenartigen
Form ausgebildet. Zwischen den Harzrahmen 24A, 24B ist
zumindest ein Teil der MEA 20, beispielsweise die Umfangskante 34 der
Vorder- und Rückseite derselben, sandwichartig angeordnet.
Außerdem sind die Harzrahmen 24A, 24B zusammen mit
der MEA 20 zwischen den Separatoren 22A und 22B sandwichartig
angeordnet.
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Die
Harzrahmen 24A, 24B üben hauptsächlich
eine Funktion des Haltens der MEA 20, eine Funktion eines
Abstandhalters zwischen den Separatoren 22A und 22B zum
Unterstützen der Haltekraft, eine Funktion des Verstärkens
der Steifigkeit der Separatoren 22A, 22B, eine
Funktion eines Isolierelements und eine Funktion des Einführens
und Abführens des Reaktionsgases in und aus dem Leistungserzeugungsbereich
auf.
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Die
Harzrahmen 24A, 24B weisen Öffnungen 60A, 60B auf,
um jeweils die Elektroden 32A, 32B aufzunehmen.
Die Öffnungen 60A, 60B sind jeweils gegenüber
der Brenngasleitung 40 und der Oxidationsgasleitung 42 angeordnet.
Die Harzrahmen 24A, 24B weisen um die Öffnungen 60A, 60B herum Umfangskanten 66A, 66B auf.
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In
einem Seitenbereich einer jeweiligen der Umfangskanten 66A, 66B sind
Verteiler 61a, 62a und 63a auf der Zuführseite
des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels
so ausgebildet, dass sie sich durch den einen seitlichen Bereich
hindurch erstrecken. Außerdem sind in dem anderen Seitenbereich
einer jeweiligen der der Umfangskanten 66A, 66B Verteiler 61b, 62b und 63b auf
der Abführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und
des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den anderen
Seitenbereich hindurch erstrecken. Diese Verteiler 61a, 62a und 63a sind
mit den Verteilern 51a, 52a und 53a in
der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgerichtet
und mit diesen verbunden, und die Verteiler 61b, 62b und 63b sind
mit den Verteilern 51b, 52b und 53b in
der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgerichtet
und mit diesen verbunden.
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Außerdem
ist die Umfangskante 66A auf der Einführseite
und der Abführseite des Brenngases mit Verbindungswegen 70 und 72 versehen.
Der Verbindungsweg 70 auf der Einführseite ist
so angeordnet, dass er sich direkt in den Verteiler 61a und
die Öffnung 60A öffnet, und der Verbindungsweg 72 auf
der Abführseite ist so angeordnet, dass er sich direkt
in den Verteiler 61b und die Öffnung 60A öffnet.
Daher sorgt in der Zelleneinheit 2 der Verbindungsweg 70 für
die Verbindung der Verteiler 51a, 61a mit den Brenngasleitungen 40.
Der Verbindungsweg 72 verbindet die Verteiler 51b, 61b mit
den Brenngasleitungen 40.
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Desgleichen
ist die Umfangskante 66B mit Verbindungswegen 80 und 82 auf
der Einführseite und der Abführseite des Oxidationsgases
versehen. Der Verbindungsweg 80 auf der Einführseite
verbindet den Verteiler 62a mit der Öffnung 60B.
Daher verbindet in der Zelleneinheit 2 der Verbindungsweg
die Verteiler 52a, 62a mit den Oxidationsgasleitungen 42.
Der Verbindungsweg 82 auf der Abführseite verbindet
den Verteiler 62b mit der Öffnung 60B und
verbindet somit die Verteiler 52b, 62b mit den
Oxidationsgasleitungen 42.
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Gemäß einem
derartigen Aufbau strömt beispielsweise das Brenngas, das
in die Zelleneinheit 2 eingeführt worden ist,
vom Verteiler 51a in den Verteiler 61a, und ein
Teil des Gases strömt vom Verteiler 61a durch
den Verbindungsweg 70, um in die Brenngasleitungen 40 zu
strömen. Danach strömt das Brenngas, das in der
Leistungserzeugung der MEA 20 verwendet wird, durch den
Verbindungsweg 72, um den Verteiler 61b zu erreichen,
und wird aus der Zelleneinheit 2 durch den Verteiler 51b abgeführt. Es
ist zu beachten, dass das Kühlmittel von den Verteilern 53a, 53b in
die Kühlmittelleitungen 44A, 44B durch
die in den Separatoren 22A, 22B ausgebildeten
Verbindungswege (nicht gezeigt) zugeführt/abgeführt
wird.
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An
dieser Stelle werden die Begriffe „Leistungserzeugungsbereich"
und „Nichtleistungsbereich" für deren Verwendung
in den Ansprüchen ergänzend beschrieben.
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Bei
dem Begriff „Leistungserzeugungsbereich" handelt es sich
um einen Bereich, in dem die Zelleneinheit 2 eine Leistung
erzeugen kann, und er ist insbesondere ein Bereich, der der Elektrode 32A oder 32B entspricht.
Der Begriff „Leistungserzeugungsbereich" der vorliegenden
Ausführungsform beinhaltet die Brenngasleitung 40 und
die Oxidationsgasleitung 42 der Separatoren 22A, 22B und
die Öffnungen 60A, 60B der Harzrahrnen 24A, 24B.
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Der
Begriff „Nichtleistungserzeugungsbereich" ist ein Bereich,
der von dem vorstehenden Leistungserzeugungsbereich abweicht, das
heißt, er ist ein Bereich, wo die Zelleneinheit 2 keine
Leistung erzeugt. In dem „Nichtleistungserzeugungsbereich" sind
die Elektroden 32A, 32B nicht vollständig
vorhanden oder es ist nur ein minimaler Bereich einer jeweiligen
Elektrode vorhanden. Der „Nichtleistungserzeugungsbereich"
der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet all die vorstehenden
Verteiler 51a bis 53a, 51b bis 53b, 61a,
bis 63a und 61b bis 63b.
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Anschließend
erfolgt unter Bezugnahme auf 4 eine ausführliche
Beschreibung einer um den Verbindungsweg des Reaktionsgases angeordneten Struktur.
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Wie
vorstehend beschrieben handelt es sich bei den Verbindungswegen
des Reaktionsgase um die Verbindungswege 70, 72 des
Brenngases und die Verbindungswege 80, 82 des
Oxidationsgases. Die nachstehend beschriebene, um den Verbindungsweg
herum angeordnete Struktur kann auf all diese Verbindungswege 70, 72, 80 und 82 angewendet werden.
An dieser Stelle erfolgt eine beispielhafte Beschreibung der um
den Verbindungsweg 70 des Brenngases herum angeordneten
Struktur.
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Der
Verbindungsweg 70 ist zu einer ausgesparten Form auf der
Oberfläche des Verbindungswegs ausgebildet, der dem Separator 22A gegenüberliegt.
Insbesondere beinhaltet der Verbindungsweg 70 eine Mehrzahl
von beispielsweise vier nutartigen Leitungen 70a, 70b, 70c und 70d.
An der Oberseite befindliche Oberflächen 72a, 72b, 72c, 72d und 72e der
Bereiche, die die Leitungen 70a, 70b, 70c und 70d voneinander
trennen sollen, gelangen mit der Fläche des Separators 22A in
Kontakt.
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Ein
Haftmittel 100 wird so bereitgestellt, dass es den Separator 22A und
den Harzrahmen 24A entlang dem gesamten Umfang miteinander
am Rand verbindet. Das Haftmittel 100 befindet sich ursprünglich
beispielsweise in einem flüssigen Zustand und härtet
aus, wenn es erwärmt wird oder man es eine vorbestimmte
Zeit stehenlässt, so dass es seine Binde- bzw. Haftkraft
ausüben kann. Das Haftmittel 100 wird beispielsweise
durch Beschichten in einer Dichtungsnut 110 aufgetragen.
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Die
Dichtungsnut 110 ist in dem Harzrahmen 24 so ausgebildet,
dass die Dichtungsnut einem Verbindungs- bzw. Haftbereich entspricht,
in dem das Haftmittel 100 verwendet wird. Die Dichtungsnut 110 ist
in der Nähe des Verbindungswegs 70 ausgebildet. Insbesondere
sind die Dichtungsnuten 110 in der Nähe der Außenseiten
der Leitungen 70a, 70d an beiden Enden des Verbindungswegs
ausgebildet.
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Zwischen
der Dichtungsnut 110 und der Leitung 70a ist ein
Ansammlungsabschnitt 120 ausgebildet, und ein Ansammlungsabschnitt 122 ist
zwischen der Dichtungsnut 110 und der Leitung 70d ausgebildet.
Die Ansammlungsabschnitte 120 und 122 verhindern,
dass das Haftmittel 100 in die Leitungen 70a und 70d strömt.
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Die
Ansammlungsabschnitte 120, 122 sind nutenartige,
ausgesparte Bereiche und erstrecken sich in der gleichen Richtung
wie die Leitungen 70a, 70d. Ein Ende eines jeweiligen
Ansammlungsabschnitts 120, 122 in einer Erstreckungsrichtung öffnet sich
genauso wie im Verbindungsweg 70 vorzugsweise direkt in
die Öffnung 60A. Die Ansammlungsabschnitte 120, 122 sind
mit der Dichtungsnut 110 derart verbunden, dass das Haftmittel 100 durch
sie beide hindurchströmt. Folglich kann das überschüssige
Haftmittel 100 in der Dichtungsnut 110 in die
Ansammlungsabschnitte 120, 122 strömen.
Wandflächen 130, 132 der Ansammlungsabschnitte 120, 122 können
sich vorzugsweise auf der Seite der Dichtungsnut 110 derart
neigen, dass das Haftmittel 100 ohne Weiteres in die Ansammlungsabschnitte 120, 122 strömen
kann.
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Die
Ansammlungsabschnitte 120, 122 können
beliebig tief sein, doch handelt es sich bei diesen vorzugsweise
um Nuten, die tiefer sind als die Dichtungsnut 110. Folglich
kann, selbst wenn eine große Menge Haftmittels 100 aus
der Dichtungsnut 110 herausströmt, das Haftmittel 100 in
den Ansammlungsabschnitten 120,122 aufgenommen
werden, und das Austreten des Haftmittels 100 in die Leitungen 70a, 70d kann
verhindert werden. Es ist zu beachten, dass, wie es in der vorliegenden
Ausführungsform der Fall ist, die Nuttiefen der Ansammlungsabschnitte 120, 122 kleiner
sein können als die Tiefe des Verbindungswegs 70.
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Wie
vorstehend beschrieben, sind die vorstehenden Ansammlungsabschnitte 120, 122 gemäß der
um den Verbindungsweg 70 herum angeordneten Struktur der
vorliegenden Ausführungsform angeordnet. Selbst wenn somit
die notwendige Menge Haftmittels 100 oder eine größere
Menge Haftmittels 100 in der Nähe des Verbindungswegs 70 verwendet wird,
können die Ansammlungsabschnitte 120, 122 das
Austreten des Haftmittels 100 in den Verbindungsweg 70 verhindert.
Daher kann eine Verringerung des Leitungsquerschnitts des Verbindungswegs 70 oder
ein Verschluss des Wegs verhindert und die Zuführung des
Brenngases zur Brenngasleitung 40 sichergestellt werden.
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<Zweite
Ausführungsform>
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Als
nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 5 bis 7 hauptsächlich
eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen gemäß einer zweiten
Ausführungsform. Ein großer Unterschied zwischen
der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform
liegt darin, dass eine Sicherungsstruktur vorgesehen ist, um die
Verformung eines Separators zu verhindern. Es ist zu beachten, dass
der Aufbau in der zweiten Ausführungsform mit den gleichen
Bezugszeichen versehen ist wie der dazu identische Aufbau in der
ersten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung der
zweiten Ausführungsform verzichtet werden kann. Außerdem
erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels für eine um einen
Ansammlungsabschnitt 122 herum angeordnete Struk tur, doch
ist das Beispiel selbstverständlich auch auf eine um einen
Ansammlungsabschnitt 120 herum angeordnete Struktur anwendbar.
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5 ist
eine Schnittansicht, die eine um einen Verbindungsweg 70 angeordnete
Struktur gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt.
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Wie
in 5 gezeigt ist, ist ein Bereich zwischen einem
Separator 22A von einer Zelleneinheit 2 von benachbarten
Zellen und einem Separator 22B der anderen Zelleneinheit 2 mit
einer Dichtung 150 (einem Dichtungselement) abgedichtet.
Die Dichtung 150 ist an einer Position angeordnet, die
dem Verbindungsweg 70 in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 entspricht.
Insbesondere ist die Dichtung 150 so angeordnet, dass sie
die Oberseite der Leitungen 70a bis 70d des Verbindungswegs 70 lateral schneidet
(wobei hierbei zu beachten ist, dass die Leitung 70a weggelassen
worden ist).
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Wie
vorstehend beschrieben, wird während der Verwendung einer
Brennstoffzelle 1 eine vorbestimmte Druckbelastung in der
Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgeübt.
Daher wirkt bei Betrachtung von der Oberfläche des Separators 22B eine
von außen einwirkende Kraft, die in 5 gezeigt
ist, auf die Oberfläche des Separators 22B. Durch
diese von außen einwirkende Kraft kann eine große
Spannung auf einen Bereich 160 des Separators 22A wirken,
der dem Ansammlungsabschnitt 122 entspricht, und somit
könnte dadurch der Separator 22A verformt werden.
Ein Grund, warm eine derartige Verformung auftritt, ist, dass es
sich bei dem Ansammlungsabschnitt 122 ursprünglich
um einen Bereich handelt, der nicht mit einem Haftmittel 100 befüllt
ist und der selbst dann als ein Raum bestehen kann, nachdem das
Haftmittel 100 angewendet worden ist.
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Zur
Lösung der Aufgabe ist in der vorliegenden Ausführungsform,
wie in 6 und 7 gezeigt ist, die Sicherungsstruktur
zum Verhindern der Verformung des Separators 22A vorgesehen.
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Wie
in 6 und 7 gezeigt ist, weist ein Harzrahmen 24A Verbindungsbereiche 170, 172 und einen
Lagerungsbereich 174 zwischen einer Dichtungsnut 110 und
dem Ansammlungsabschnitt 122 auf.
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Die
Verbindungsbereiche 170, 172 verbinden die Dichtungsnut 110 mit
dem Ansammlungsabschnitt 122, so dass das Haftmittel 100 zwischen denselben
hindurchströmen kann. Die Verbindungsbereiche 170, 172 sind
auf einander gegenüberliegenden Seiten des Lagerungsbereichs 174 angeordnet
und in Bezug auf den Separator 22A konkav ausgebildet.
Die Verbindungsbereiche 170, 172 weisen willkürlich
tiefe Nuten auf, und die Tiefenabmessungen können auf eine
Nuttiefe angesetzt werden, die gleich der der Dichtungsnut 110 ist.
Bevorzugt fallen die Verbindungsbereiche 170, 172 von
der Seite der Dichtungsnut 110 zur Seite des Ansammlungsabschnitts 122 nach
unten ab.
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Die
Positionen, Größen und die Anzahl der Verbindungsbereiche 170, 172 können
auf willkürliche Werte angesetzt werden. Die Verbindungsbereiche 170, 172 sind
jedoch vorzugsweise an Positionen angeordnet, die von der Position
abweichen, die der Dichtung 150 in der Schichtungsrichtung
der Zelleneinheiten 2 entspricht. In anderen Worten ist
es zu bevorzugen, dass die Dichtung 150 nicht rechts über den
Verbindungsbereichen 170, 172 angeordnet ist. Selbst
wenn in diesem Fall die von außen einwirkende Kraft in
der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 wirkt und
der Bereich, der der Dichtung 150 entspricht, verformt
wird, müssen sich dadurch die Leitungsquerschnitte der
Verbindungsbereiche 170, 172 nicht verkleinern.
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Der
Separator 22A wird durch den Lagerungsbereich 174 gelagert.
Die obere Fläche des Lagerungsbereichs 174 weist
eine Höhenabstand auf, der gleich dem der oberen Flächen
(z. B. 72d und 72e) ist, die die Leitungen des
Verbindungswegs 70 definieren, und gelangt mit der Fläche
des Separators 22A in Kontakt. Der Lagerungsbereich 174 ist
an der Position angeordnet, die der Dichtung 150 in der Schichtungsrichtung
der Zelleneinheiten 2 entspricht. In anderen Worten ist
die Dichtung 150 rechts oberhalb des Lagerungsbereichs 174 so
angeordnet, dass sie den Lagerungsbereich 174 lateral schneidet.
Der Lagerungsbereich 174 kann somit an einer Position angeordnet
sein, auf den der Lastdruck durch die Dichtung 150 wirkt.
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In
diesem Fall ist die Breite des Lagerungsbereichs 174 als
eine Breite La angesetzt, die gleich der der oberen Fläche 72e ist,
und die Breite der Leitung 70d ist als eine Breite Lb angesetzt,
die gleich der des Ansammlungsabschnitts 122 ist. Ein Grund dafür,
warm auf diese Art und Weise die gleiche Breite angesetzt wird,
ist folgender: Wird berücksichtigt, dass der Separator 22A an
der Position nicht verformt wird, die dem Verbindungsweg 70 entspricht, wenn
eine Beziehung ähnlich der zwischen der Nutbreite (Lb)
und der herausragenden Breite (La) im Verbindungsweg 70 auf
beiden Seiten des Verbindungswegs 70 vorgesehen ist, sollte
die Verformung des Separators 22A in den Bereichen auf
beiden Seiten eigentlich verhindert werden können. Einem
Entwurf mit derart identischen Breiten entsprechend wirkt der Lagerungsbereich 174 effektiv
der von außen einwirkende Kraft entgegen, und die Verformung des
Separators 22A kann verhindert werden. Es ist zu beachten,
dass die Breiten des Lagerungsbereichs 174 und des Ansammlungsabschnitts 122 entsprechend
ausgeführt werden können.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann gemäß der der vorliegenden
Ausführungsform die Verformung des Separators 22A zwischen
der Dichtungsnut 110 und dem Ansammlungsabschnitt 122 verhindert
werden, da der Lagerungsbereich 174 als ein Sicherungselement
für den Separator 22A dient. Da außerdem
die Verbindungsbereiche 170, 172 bereitgestellt
sind, kann die Strömungsbewegung des Haftmittels 100 aus
der Dichtungsnut 110 in den Ansammlungsabschnitt 122 sichergestellt
werden, und das Heraustreten des Haftmittels 100 in den
Verbindungsweg kann unterdrückt werden.
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<Dritte
Ausführungsform>
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Als
nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 8 hauptsächlich
eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen gemäß einer
dritten Ausführungsform. Zwischen der dritten Ausführungsform und
der ersten Ausführungsform liegt ein großer Unterschied
darin, dass eine Nutattrappe 180 vorgesehen ist. Es ist
zu beachten, dass der Aufbau in der dritten Ausführungsform
mit den gleichen Bezugszeichen versehen ist wie der dazu identische
Aufbau in der ersten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung
der dritten Ausführungsform verzichtet werden kann. Außerdem
erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels für eine um einen
Ansammlungsabschnitt 122 herum angeordnete Struktur, doch
ist das Beispiel selbstverständlich auch auf eine um einen Ansammlungsabschnitt 120 herum
angeordnete Struktur anwendbar.
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Die
Nutattrappe 180 ist zwischen einer Leitung 70d am
Ende eines Verbindungswegs 70 und dem Ansammlungsabschnitt 122 angeordnet.
Die Nutattrappe 180 weist im Wesentlichen die gleiche Form
wie die der Leitung 70d auf, doch unterscheidet sich ihre
Länge zu der der Leitung. Das heißt, dass die
Nutattrappe 180 sich in der gleichen Richtung erstreckt
wie die Leitung 70d, und zwar dermaßen, dass die
Nutattrappe sich nicht direkt in einen Verteiler 61a oder
eine Öffnung 60A öffnet. Die Breite der Nutattrappe 180 kann
bei einer Breite angesetzt werden, die der des Ansammlungsabschnitts 122 oder der
Leitung 70d entspricht. Eine obere Fläche 182 eines
heraustretenden Bereichs, der die Nutattrappe 180 und den
Ansammlungsabschnitt 122 definiert, gelangt mit einem Separator 22A in
Kontakt. Die Breite der oberen Fläche 182 kann
bei einer Breite angesetzt sein, die gleich der einer oberen Fläche 72e ist.
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Der
vorteilhafte Effekt der vorliegenden Ausführungsform, der
sich von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet,
liegt darin, dass, selbst wenn überschüssiges
Haftmittel 100 aufgetragen wird, das Heraustreten des Haftmittels
in den Verbindungsweg 70 durch die Nutattrappe 180 zuverlässig verhindert
werden kann. Dies bedeutet, dass während eines Montageschritts
der Zelleneinheiten 2 eine etwas zu große Menge
Haftmittel 100 aufgetragen werden kann.
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<Vierte
Ausführungsform>
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Als
nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 9 hauptsächlich
eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen gemäß einer
vierten Ausführungsform. Ein großer Unterschied
zwischen der vierten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform
liegt darin, dass an beiden Enden eines Ansammlungsabschnitts 122 Grenz schichten 190, 191 ausgebildet
sind. Der weitere Aufbau ist mit dem der zweiten Ausführungsform
identisch, und somit kann an dieser Stelle von einer Beschreibung
des Aufbaus abgesehen werden.
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Die
Grenzschichten 190, 191 sind an beiden Enden des
Ansammlungsabschnitts 122 in der Erstreckungs- bzw. Verlaufsrichtung
des Ansammlungsabschnitts positioniert. Die Grenzschichten 190, 191 sind
so ausgebildet, dass die Strömungsbewegung eines Haftmittels 100 aus
den Verbindungsbereichen 170, 172 in den leeren
Raum (einen Raum, in dem das Haftmittel 100 aufgenommen
werden kann) des Ansammlungsabschnitts 122 nicht beeinträchtigt
wird bzw. sichergestellt ist.
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Die
Grenzschicht 190 ist von der unteren Fläche des
Ansammlungsabschnitts 122 zu einem Separator 22A in
der vertikalen Richtung angeordnet, um den unbefüllten
bzw. leeren Raum des Ansammlungsabschnitts 122 von einem
Verteiler 61a aus direkt abzuschließen. Die Grenzschicht 191 ist
hingegen von der unteren Fläche des Ansammlungsabschnitts 122 in
der vertikalen Richtung zum Separator 22A angeordnet, um
den unbefüllten bzw. leeren Raum des Ansammlungsabschnitts 122 von
einer Öffnung 60A aus direkt abzuschließen.
Die oberen Flächen der Grenzschichten 190, 191 sind
bei einem Höhenabstand positioniert, der gleich dem einer
oberen Fläche 72e ist.
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Die
Grenzschichten 190, 191 stören die zwischen
dem Verteiler 61a und der Brenngasleitung 40 durch
den leeren bzw. unbefüllten Raum des Ansammlungsabschnitts 122 hindurch
erfolgende Strömungsbewegung des Brenngases. Es ist zu
beachten, dass die Positionen der Grenzschichten 190, 191 nicht
auf die beiden Enden des Ansammlungsabschnitts 122 begrenzt
sind und willkürlich angesetzt werden können.
Das heißt, dass ein Grenzschichtbereich, der die Strömungsbewegung
des Brenngases zwischen dem Verteiler 61a und den Brenngasleitungen 40 durch
den unbefüllten Raum des Ansammlungsabschnitts 122 hindurch
stört, in dem Ansammlungsabschnitt 122 ausgebildet
werden kann.
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Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann, neben der Funktion und
Wirkweise der zweiten Ausführungsform, verhindert werden,
dass das Haftmittel 100, das sich in dem Ansammlungsabschnitt 122 angesammelt
hat, durch den Verteiler 61a und die Brenngasleitungen 40 strömt.
Es ist zu beachten, dass die Struktur der vorliegenden Ausführungsform selbstverständlich
auch auf die Strukturen der ersten Ausführungsform und
der dritten Ausführungsform angewendet werden kann.
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<Modifizierung>
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Die
Brennstoffzelle 1 gemäß der vorstehenden
ersten bis dritten Ausführungsformen kann auch auf die
nachstehende Modifizierung angewendet werden.
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Anstelle
des Haftmittels 100 können alle Element der Zelleneinheit 2 jeweils
unter Verwendung eines Formungsmaterials gesichert werden. Auch
in diesem Fall können die Ansammlungsabschnitte 120, 122 verhindern,
dass das Formungsmaterial in den Verbindungsweg 70 gelangt.
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Die
Verbindungswege 70 und 72 für das Reaktionsgas
und die Verbindungswege 80 und 82 können
in den Separatoren 22A, 22B ausgebildet sein. In
diesem Fall können auch die Ansammlungsabschnitte 120 und 1222 in
den Separatoren 22A, 22B ausgebildet sein.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzelle
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Eine
Brennstoffzelle, in der ein Heraustreten eines Haftmittels in einen
Gasverbindungsweg verhindert wird. Die Brennstoffzelle weist eine
Gasleitung in einem Leistungserzeugungsbereich auf, einen Verteiler
in einem Nichtleistungsbereich und den Gasverbindungsweg auf, der
die Gasleitung und den Verteiler miteinander verbindet. Das Haftmittel
wird in der Nähe von zumindest dem Gasverbindungsweg verwendet.
Ein Haftmittelansammlungsabschnitt zum Verhindern eines Einströmens
des Haftmittels in den Gasverbindungsweg ist in der Nähe
des Gasverbindungswegs angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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