DE112007002945T5 - Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzelle, die Stromerzeugungseinheiten einsetzt, die eine Elektrolytmembran und auf jeweils einer Seite der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden aufweisen, wobei die Brennstoffzelle Folgendes umfasst:
einen Stapel, der eine gestapelte Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten enthält;
ein Klemmelement zum Festklemmen des Stapels in der Stapelrichtung; und
ein scherelastisches Element, das in der Stapelrichtung zwischen dem Klemmelement und einer Endfläche des Stapels eingefügt ist und so angepasst ist, dass es sich in einer Scherrichtung elastisch verformt, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffzelle und insbesondere auf eine Verbesserung bei einem Brennstoffzellenstapel.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Brennstoffzelle, zum Beispiel eine Festpolymer-Brennstoffzelle, wandelt chemische Energie von Stoffen direkt in elektrische Energie um, indem jeweils ein Reaktionsgas (und zwar ein wasserstoffhaltiges Brennstoffgas und ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas) zwei Elektroden (einer Brennstoffelektrode und einer Sauerstoffelektrode) zugeführt werden, die einander gegenüberliegend auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet sind, um eine elektrochemische Reaktion hervorzurufen. Ein überwiegend verwendeter, bekannter Aufbau für solche Brennstoffzellen ist ein gestapelter Aufbau, der sich aus einem Stapel Stromerzeugungseinheiten zusammensetzt, die eine Elektrolytmembran allgemein ebener Form enthalten und die in der Stapelrichtung fixiert sind.
  • In einigen Fällen erfordern die Betriebsbedingungen, unter denen eine Brennstoffzelle verwendet wird, dass sie eine ausreichende Haltbarkeit hat, um externen Erschütterungen und Schwingungen zu widerstehen. Es sind Technologien bekannt, die darauf abzielen, die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit von Brennstoffzellen zu verbessern, indem Platten vorgesehen werden, die so angeordnet werden, dass sie die Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung bedecken, und zwischen den Platten und dem Stapel Polsterelemente angeordnet werden.
  • Allerdings sind aufgrund von noch höheren Anforderungen an die Brennstoffzellen hinsichtlich der Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit weitere Verbesserungen bei der Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzellen wünschenswert.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts dessen ist es demnach Aufgabe der Erfindung, die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit einer Brennstoffzelle zu verbessern.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, sieht eine erste Ausführungsform der Erfindung eine Brennstoffzelle vor, die Stromerzeugungseinheiten einsetzt, die eine Elektrolytmembran und auf jeweils einer Seite der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden aufweisen. Die Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform umfasst einen Stapel, der eine gestapelte Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten enthält, ein Klemmelement und ein scherelastisches Element. Das Klemmelement wird dazu verwendet, den Stapel in der Stapelrichtung festzuklemmen. Das scherelastische Element verformt sich elastisch in einer Scherrichtung, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt.
  • Dies verbessert durch die Schwingungsdämpfungswirkung des scherelastischen Elements, das so angepasst ist, dass es sich in der Scherrichtung elastisch verformt, die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform umfasst das scherelastische Element ein kautschukelastisches Element mit Kautschukelastizität. Dies verbessert durch die Schwingungsdämpfungswirkung des kautschukelastischen Elements die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle.
  • Bei einer anderen möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform ist der Umfang der elastischen Verformung des scherelastischen Elements in der Scherrichtung größer als der Umfang der elastischen Verformung des Stapels in der Scherrichtung. Dies verringert die auf dem Stapel lastende Scherkraft und verbessert die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle.
  • Bei noch einer anderen möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform ist in dem scherelastischen Element zumindest der Umfangskantenteil der Kontaktfläche, die in der Stapelrichtung ein anderes Element berührt, mit dem anderen Element verbunden. Dies verringert die permanent einsetzende Ermüdung des elastischen Elements, weswegen eine Leckage der Reaktionsgase oder des Kühlmediums begrenzt werden kann.
  • Bei noch einer anderen möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform ist zumindest der Umfangskantenteil der Kontaktfläche, die in der Stapelrichtung ein anderes Element berührt, mit dem anderen Element verbunden. Das scherelastische Element kann eine Vielzahl von kautschukelastischen Elementen mit Kautschukelastizität und ein oder eine Vielzahl von sich wenig verformenden Elementen umfassen, deren Druckverformung in der Stapelrichtung geringer als die der Vielzahl von kautschukelastischen Elementen ist, wobei die Vielzahl von kautschukelastischen Elementen mit den sich wenig verformenden Elementen dazwischen aufeinander gestapelt sein kann. Dies gewährleistet einen zufrieden stellenden Umfang an elastischer Verformung in der Scherrichtung, während gleichzeitig der Umfang an elastischer Verformung des scherelastischen Elements in der Druckrichtung begrenzt wird. Dadurch werden die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle in sowohl der Scherrichtung als auch der Stapelrichtung verbessert.
  • Bei noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform wird zumindest ein Ende des scherelastischen Elements in der Stapelrichtung durch das sich wenig verformende Element gebildet, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem Klemmelement oder dem Stapel im Kontakt befindet; oder das zumindest eine Ende wird von einem kautschukelastischen Element gebildet, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem Klemmelement oder dem Stapel im Kontakt befindet.
  • Bei noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung enthält die Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform ein Reaktionskraft ausübendes Element, das auf zumindest einen Abschnitt einer Seitenfläche des Stapels, die in Stapelrichtung verläuft, im Ansprechen auf eine Verlagerung des Stapels in der Scherrichtung eine Reaktionskraft ausübt. Dies verringert die auf dem Stapel lastende Scherkraft, indem auf den Stapel eine Reaktionskraft ausgeübt wird, wenn der Stapel eine Verlagerung in der Scherrichtung erfahren hat. Dadurch verbessern sich die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle.
  • Bei noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung enthält die Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform außerdem eine Platte, die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Abschnitt der Seitenfläche des Stapels bedeckt, die in Stapelrichtung verläuft, wobei das Reaktionskraft ausübende Element ein Polsterelement ist, das zwischen dem Stapel und der Platte positioniert ist und Polstereigenschaften hat. Dies verringert aufgrund der vom Polsterelement auf den Stapel aufgebrachten Reaktionskraft die auf dem Stapel lastende Scherkraft.
  • Bei noch einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform enthält der Stapel außerdem eine zwischen dem Klemmelement und der Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten angeordnete Sammelplatte; oder sie enthält eine zwischen der Sammelplatte und dem Klemmelement angeordnete Isolierplatte.
  • Die Erfindung kann auch auf andere Weise in die Praxis umgesetzt werden, was Vorrichtungserfindungen wie ein Fahrzeug oder ein mobiles Objekt einschließt, in dem die Brennstoffzelle gemäß der vorstehenden Ausführungsweise eingebaut worden ist, oder Verfahrenserfindungen wie ein Platzierungsverfahren für eine Brennstoffzelle.
  • Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlicher, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Darstellung, die eine Formgebung einer Brennstoffzelle in einem Ausführungsbeispiel wiedergibt;
  • 2 ist eine Darstellung, die gestapelte Stromerzeugungseinheiten wiedergibt;
  • 3 ist eine Darstellung, die eine Formgebung eines scherelastischen Elements 50 wiedergibt;
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Muster zeigt, das in einer Simulation verwendet wurde;
  • 5 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse einer Simulation wiedergibt;
  • 6A und 6B zeigen einen gestapelten Aufbau und EPDM mit Einschichtaufbau;
  • 7 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle im Ausführungsbeispiel, wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird;
  • 8 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels, wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird;
  • 9 ist eine Darstellung, die einen Reaktionsgas/Kühlmittel-Leckagemodus darstellt;
  • 10 ist ein Diagramm, das ein scherelastisches Element in einem ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel wiedergibt;
  • 11 ist ein schematisches Diagramm, das eine Brennstoffzelle in einem fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel wiedergibt; und
  • 12 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des fünften abgewandelten Ausführungsbeispiels, wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
  • Die Brennstoffzelle wird unten anhand von bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, während auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
  • A. Ausführungsbeispiele:
  • – Ausgestaltung der Brennstoffzelle
  • Es wird nun die allgemeine Formgebung einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung diskutiert. 1 ist eine Darstellung, die eine Formgebung einer Brennstoffzelle in einem Ausführungsbeispiel wiedergibt. 2 ist eine Darstellung, die gestapelte Stromerzeugungseinheiten wiedergibt. 3 ist eine Darstellung, die eine Formgebung eines scherelastischen Elements 50 wiedergibt.
  • Wie in 1 wiedergegeben ist, ist die Brennstoffzelle 100 mit einem Stapel 60 als Hauptteil ausgestattet. Der Stapel 60 umfasst einen Stromerzeugungsstapel, der aus einer Vielzahl von gestapelten Stromerzeugungseinheiten 61, zwei Sammelplatten 62 und zwei Isolierplatten 63 besteht. Da die Formgebung des Stromerzeugungsstapels in der Umgebung seiner Endteile in Links/Rechts-Richtung symmetrisch ist, ist die Umgebung des linken Endteils unten in 1 repräsentativ gezeigt. Wie in der vergrößerten Ansicht wiedergegeben ist, sind die beiden Sammelplatten 62 so angeordnet, dass sie den Stromerzeugungsstapel an entgegengesetzten Enden des Stromerzeugungsstapels in der Stapelrichtung in ihre Mitte nehmen. Die beiden Isolierplatten 63 befinden sich jeweils auf der Außenseite der Isolierplatten 63.
  • Die Brennstoffzelle 100 enthält außerdem zwei Endplatten 10, die Klemmelemente zum Festklemmen des Stapels 60 in der Stapelrichtung bilden, zwischen den Endplatten 10 und dem Stapel 60 eingeschobene scherelastische Elemente 50 und Spannplatten 20. Da sich die Isolierplatten 63 in diesem Ausführungsbeispiel an den äußersten Enden des Stapels 60 befinden, befinden sich die scherelastischen Elemente 50 zwischen den Endplatten 10 und den Isolierplatten 63. Die Spannplatten 20 sind entlang der Stapelrichtung angeordnet, so dass sie die Seitenflächen des Stapels 60 teilweise bedecken. Die Brennstoffzelle 100 hat einen Aufbau, bei dem der Stapel 60 in der Stapelrichtung mit einem vorgeschriebenen Befestigungsdruck P zusammengeschlossen wird, indem die Spannplatten 20 mit Schrauben 30 mit den Endplatten 10 verbunden werden. Um Steifheit zu garantieren, bestehen die Endplatten 10 und die Spannplatten 20 aus einem Metall wie Stahl. Die Isolierplatten 63 bestehen aus Harz oder anderen Isoliermaterialien. Die Sammelplatten 62 bestehen aus gasundurchlässigen, elektrisch leitenden Materialien wie dichtem Kohlenstoff oder einer Kupferplatte.
  • Oben in 1 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs des Stapels 60 gezeigt, der von der Spannplatte 20 bedeckt wird. Wie in der vergrößerten Ansicht wiedergegeben ist, ist zwischen der Spannplatte 20 und dem Stapel 60 ein Polsterelement 40 angeordnet. Das Polsterelement 40 besteht aus einem Material mit Elastizitäts- und Isolationseigenschaften, zum Beispiel aus Kautschuk oder einem Harzschaum. Das Polsterelement 40 hat zum Beispiel eine Dicke in der Größenordnung von 2 mm bis 3 mm und kann oder kann auch nicht durch die Spannplatte 20 mit einer vorgeschriebenen Kraft gegen die Seitenfläche des Stapels gehalten werden.
  • Die Formgebung des Stromerzeugungsstapels wird nun unter Bezugnahme auf 2 geschrieben. Der Stromerzeugungsstapel enthält eine große Zahl von z. B. mehreren Hundert Stromerzeugungseinheiten 61, die mit (nicht in 1 gezeigten) Separatoren 80 dazwischen aufeinander gestapelt sind.
  • Wie in 2 wiedergegeben ist, ist jede Stromerzeugungseinheit 61 mit einem Membran-Elektroden-Aufbau (im Folgenden MEA) und einem Dichtungselement 7 ausgestattet, das mit der Außenumfangskante der MEA verbunden ist. Wie in 2 gezeigt ist, ist die MEA mit einer aus einer Ionenaustauschmembran bestehenden Elektrolytmembran 5, einer auf einer Fläche der Elektrolytmembran 5 angeordneten Anodenelektrode (nicht gezeigt), einer auf der anderen Fläche der Elektrolytmembran 5 angeordneten Kathodenelektrode (nicht gezeigt) und jeweils zwischen den Separatoren 80 und der Anoden- oder Kathodenelektrode angeordneten Diffusions schichten 4, 6 versehen. Die Diffusionsschichten 4, 6 fungieren als Strömungskanäle für die Reaktionsgase (das Oxidationsgas und das Brennstoffgas) und sind poröse Körper, die unter Verwendung von zum Beispiel Metall oder Kohlenstoff hergestellt wurden. Das Dichtungselement 7 ist so angepasst, dass es zwischen den Separatoren 80 und zwischen den Elektroden für eine Dichtung sorgt, und besteht aus einem Harzmaterial wie zum Beispiel Silikonkautschuk, Butylkautschuk oder Fluorkautschuk. Das Dichtungselement 7 wird durch Spritzformen eines Harzmaterials gefertigt, während der Außenumfangskantenteil der MEA so positioniert ist, dass er einer Formhöhlung zugewandt ist. Die MEA und das Dichtungselement 7 werden dadurch spaltfrei verbunden, so dass das Oxidationsgas und das Brennstoffgas daran gehindert werden, aus den Verbindungsabschnitten herauszulecken.
  • Wie in 2 wiedergegeben ist, ist der Separator 80 mit einer zur Kathodenseite der Stromerzeugungseinheit 61 gewandten Kathodenplatte 81, einer zur Anodenseite der Stormerzeugungseinheit 61 gewandten Anodenplatte 83 und einer zwischen der Kathodenplatte 81 und der Anodenplatte 83 eingesetzten Mittelplatte 82 ausgestattet. Diese drei Platten werden durch Heißpressen nebeneinander angeordnet und miteinander verbunden. Die Platten 81 bis 83 werden aus z. B. SUS-Platten (Edelstahl) hergestellt.
  • Es sind Verteiler zur Zufuhr und Abfuhr der Reaktionsgase und des Kühlmittels zu und aus dem Stapel 60 vorgesehen, die in der Stapelrichtung durch den Stromerzeugungsstapel laufen. In den Separatoren 80 sind Reaktionsgaskanäle, die so angepasst sind, dass sie Reaktionsgase, die den oben genannten Verteilern zugeführt werden, zur Anoden- oder Kathodenelektrode verteilen, und ein Kühlmittelkanal ausgebildet, der so angepasst ist, dass er Kühlmittel zirkulieren lässt. Unter diesen Verteilern und Kanälen gibt 2 einen Oxidationsgaszufuhrverteiler 140, einen Oxidationsgaszufuhrkanal 84, einen Oxidationsgasabfuhrkanal 85 und einen Oxidationsgasabfuhrverteiler 130 wieder, wobei die Pfeile den Strömungsweg des Oxidationsgases angeben.
  • Für die Beschreibung wird erneut auf 1 Bezug genommen. In der Brennstoffzelle 100 findet die Zufuhr und Abfuhr der Reaktionsgase und des Kühlmittels zu und aus dem Stromerzeugungsstapel in 1 auf der linken Seite statt. Aus diesem Grund sind die linke Endplatte 10, das linke scherelastische Element 50, die linke Isolierplatte 63 und die linke Sammelplatte 62 jeweils mit (nicht gezeigten) Durchgangslöchern versehen, die mit den außen vorgesehenen Verteilern und dem Stromerzeugungsstapel in Verbindung stehen.
  • Die Formgebung des scherelastischen Elements 50 wird nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Das scherelastische Element 50 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier elastische Elemente 51 und drei steife Elemente 52, die abwechselnd aufeinander gestapelt und miteinander verbunden sind. Die elastischen Elemente 51 bestehen aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), während die steifen Elemente 52 aus SUS (Edelstahl) oder Keramik bestehen. Die Dicke t1 der elastischen Elemente 51 liegt z. B. zwischen 1,5 und 4,0 mm, während die Dicke t2 der steifen Elemente 52 z. B. zwischen 0,5 und 1,5 mm liegt.
  • Aufgrund dieses gestapelten Aufbaus ist das scherelastische Element 50 so angepasst, dass es bezüglich der Scherrichtung einen hohen Grad elastischer Verformung (einen kleinen Schermodul) zeigt, während seine elastische Verformung bezogen auf die Druckrichtung begrenzt wird (der Kompressionsmodul erhöht wird). Die Druckrichtung des scherelastischen Elements 50 ist in diesem Fall eine Richtung, die parallel zur Stapelrichtung liegt, während die Scherrichtung eine Richtung ist, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt. Das scherelastische Element 50 ist nicht auf die oben beschriebene Formgebung beschränkt. Zum Beispiel wäre auch eine Formgebung, die vier elastische Elemente 51 und drei steife Elemente 52, die abwechselnd aufeinander gestapelt und verbunden sind, aufweist und zusätzlich an beiden Enden mit Metallelementen ausgestattet ist, akzeptabel.
  • Der Grund, warum dieser gestapelte Aufbau einen hohen Schermodul hervorbringt, während der Kompressionsmodul begrenzt wird, wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 diskutiert. 4 ist ein Diagramm, das ein Muster zeigt, das in einer Simulation verwendet wurde. 5 ist ein Kurvenbild, das Ergebnisse der Simulation wiedergibt. 6A und 6B zeigen einen gestapelten Aufbau und EPDM mit Einschichtaufbau.
  • Die Simulation erfolgte für Muster, die sich aus einer viereckigen EPDM-Lage RB (mit 225 mm Länge pro Seite) zusammensetzten, die von SUS-Lagen ST in die Mitte genommen wurde (4). In der Simulation wurden die Druckverlagerung und Scherverlagerung für mehrere Muster mit unterschiedlicher Dicke T gemessen. Die Druckverlagerung entspricht dem Umfang der Verlagerung in der Stapelrichtung, die beobachtet wird, wenn wie in 4 gezeigt eine Druckkraft F1 aufgebracht wird, während die Scherverlagerung dem Umfang der Verlagerung in der Scherrichtung entspricht, die beobachtet wird, wenn eine Scherkraft F2 aufgebracht wird. In diesem Versuch betrugen die Druckkraft F1 und die Scherkraft F2 jeweils 5000 N (Newton).
  • Die Ergebnisse sind in dem Kurvenbild von 5 angegeben. Die Scherverlagerung nimmt proportional zur Dicke T der EPDM-Lage RB zu. Andererseits nimmt die Druckverlagerung bezogen auf eine zunehmende Dicke T auf eine Weise zu, die sich einer Kurve zweiter Ordnung annähert. Und zwar steigt die Druckverlagerung bezogen auf eine zunehmende Dicke T allmählich an, wenn die Dicke T der EPDM-Lage RB in einem Bereich von 4,0 mm oder weniger liegt, doch beginnt sie bezogen auf eine zunehmende Dicke T von dem Punkt an stark anzusteigen, bei dem die Dicke T mehr als 4,0 mm beträgt. Folglich nimmt das Verhältnis der Scherverlagerung zur Druckverlagerung mit abnehmender Dicke T der EPDM-Lage RB zu.
  • Und zwar beträgt, wie in 5 wiedergegeben ist, bei einer Dicke T der EPDM-Lage RB von 9 mm das Verhältnis der Scherverlagerung von 0,9 mm zur Druckverlagerung von etwa 3,45 × 10–3 mm etwa 260, während bei einer Dicke T der EPDM-Lage RB von 3 mm das Verhältnis der Scherverlagerung von 0,3 mm zur Druckverlagerung von 0,13 × 10–3 mm etwa 2300 beträgt. Angenommen, dass ein gestapeltes Schichtbauteil, das sich aus drei 3 mm dicken EPDM-Lagen RB zusammensetzt, die dünne Edelstahllagen ST in ihre Mitte nehmen (6A), mit einer einzelnen 9 mm dicken EPDM-Lage RB (6B) verglichen wird, dann ist die Druckverlagerung für das gestapelte Schichtbauteil deutlich geringer, während die Scherverlagerung vergleichbar ist.
  • Gemäß der oben beschriebenen Brennstoffzelle 100 dieses Ausführungsbeispiels sind scherelastische Elemente 50 zwischen den Endplatten 10 und dem Stapel 60 angeordnet, wodurch Erschütterungen oder Schwingungen, denen die Brennstoffzelle 100 ausgesetzt worden ist, aufgrund der Schwingungsdämpfungswirkung der scherelastischen Elemente 50 stark abgeschwächt werden, bevor sie auf den Stapel 60 übertragen werden. Im Ergebnis verbessern sich die Erschütterungsfestigkeit und die Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle 100.
  • Da die Brennstoffzelle 100 mit den scherelastischen Elementen 50 ausgestattet ist, wird, wenn die Brennstoffzelle 100 Erschütterungen oder Schwingungen ausgesetzt ist, außerdem durch die Polsterelemente 40 eine erhöhte Reaktionskraft ausgeübt, so dass die Erschütterungen oder Schwingungen, denen die Brennstoffzelle 100 ausgesetzt worden ist, besser abgeschwächt werden, bevor sie auf den Stapel 60 übertragen werden. Im Ergebnis verbessern sich die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle 100 weiter.
  • In der folgenden ausführlicheren Beschreibung wird auf 7 und 8 Bezug genommen. 7 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle in dem Ausführungsbeispiel, wenn von den Seitenflächen eine Presskraft aufgebracht wird. 8 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels, wenn von den Seitenflächen eine Presskraft aufgebracht wird. In 7 und 8 sind die Längenverhältnisse der Elemente zur Vereinfachung des Verständnisses passend abgeändert. Zum Beispiel sind die vertikalen Abmessungen der Polsterelemente 40 und der Spannplatten 20 in 7 und 8 vergrößert dargestellt. Der Umfang der Verformung des Stapels 60 in der vertikalen Richtung ist ebenfalls übertrieben dargestellt.
  • Es wird angenommen, dass der Stapel 60 aufgrund von Erschütterungen oder Schwingungen der Brennstoffzelle 100 mit einer externen Kraft F belastet worden ist, die in 7 und 8 von oben nach unten gerichtet ist. In diesem Fall wird bei der Brennstoffzelle 100 dieses Ausführungs beispiels (7) der Gesamtstapel 60 aufgrund der Scherverformung des scherelastischen Elements 50, das so angepasst ist, dass es sich in der Scherrichtung leichter als der Stapel 60 elastisch verformt (d. h. es hat einen kleineren Schermodul als der Stapel 60), in 7 eine Verlagerung in die Abwärtsrichtung erfahren. Zu diesem Zeitpunkt drückt der Gesamtstapel 60 das Polsterelement 40 in 7 auf der unteren Seite nach unten, so dass durch das Polsterelement 40 ein hohes Maß an Reaktionskraft Q auf den Stapel 60 ausgeübt wird. Dadurch erfährt der Stapel 60 eine maximale Scherspannung f von (F – Q)/2.
  • Andererseits ist eine herkömmliche Brennstoffzelle 100b (8) nicht mit scherelastischen Elementen 50 versehen. Wenn die herkömmliche Brennstoffzelle 100b mit der externen Kraft F belastet wird, wird der Stapel 60, da er an den Endplatten 10 befestigt worden ist, nicht in dem gleichen Maße wie die Brennstoffzelle 100 eine Abwärtsverlagerung erfahren. Folglich ist die Reaktionskraft q, die von dem Polsterelement 40 auf der unteren Seite in 7 auf den Stapel 60 ausgeübt wird, kleiner als die Reaktionskraft Q in der Brennstoffzelle 100 des Ausführungsbeispiels (q < Q). Es versteht sich, dass die maximale Scherspannung fb = (F – q)/2, der der Stapel 60 in dem herkömmlichen Beispiel unterliegt, im Ergebnis größer als die oben genannte maximale Scherspannung f = (F – Q)/2 in dem Ausführungsbeispiel ist. Es versteht sich also, dass die scherelastischen Elemente 50 im Ausführungsbeispiel die Wirkung haben, die Scherspannung zu verringern, die der Stapel 60 ausgesetzt wird. Im Ergebnis verbessern sich die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle 100 weiter.
  • Da die scherelastischen Elemente 50 in diesem Ausführungsbeispiel einen gestapelten Aufbau haben, wie er in 3 wiedergegeben ist, wird außerdem die elastische Verformung bezogen auf die Scherrichtung erhöht (der Schermodul verringert), während gleichzeitig die elastische Verformung bezogen auf die Druckrichtung begrenzt wird (der Kompressionsmodul erhöht wird). Folglich verformen sich die scherelastischen Elemente 50 nicht ohne Weiteres in der Stapelrichtung, weswegen die Verlagerung des Stapels 60 in der Stapelrichtung begrenzt wird. Dadurch werden die Seitenflächen des Stapels 60 und die Polsterelemente 50 daran gehindert, sich aufgrund einer Verschiebung in der Stapelrichtung in Reibung zu befinden, und in der Stapelrichtung wird Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit gewährleistet. Für die Seitenflächen des Stapels 60 und die Polsterelemente 50 wäre es aufgrund des Risikos, dass es zu einer fehlerhaften Abdichtung zwischen den Stromerzeugungseinheiten 61 in dem Stapel 60 kommt, ungünstig, sich in Reibung zu befinden.
  • Bei einer bevorzugten Umsetzung wird das elastische Element 51, das sich am äußeren Ende des scherelastischen Elements 50 befindet, mit ausreichender Festigkeit mit der Endplatte 10 verbunden, während das elastische Element 51, das sich am inneren Ende des scherelastischen Elements 50 befindet, mit ausreichender Festigkeit mit dem Ende des Stapels 60, d. h. mit der Isolierplatte 63, verbunden wird. Insbesondere auf der Seite, auf der einige oder sämtliche der Reaktionsgase und das Kühlmittel zugeführt werden (in dem Beispiel von 1 auf der linken Seite), ist es vorzuziehen, bei dem scherelastischen Element 50 mit ausreichender Festigkeit die Verbindung vorzunehmen. 9 ist eine Darstellung, die einen Reaktionsgas/Kühlmittel-Leckagemodus darstellt. Wenn die Verbindung nicht ausreichend ist, kann sich zwischen dem scherelastischen Element 50 und der Endplatte 10 oder zwischen dem scherelastischen Element 50 und dem Stapel 60, wie in 9 wiedergegeben ist, ein Spalt NT bilden, was zu dem Risiko führt, dass Reaktionsgas oder Kühlmittel herausleckt. Bei einer bevorzugten Umsetzung wird an der Verbindungsfläche zwischen dem scherelastischen Element 50 und der Endplatte oder zwischen dem scherelastischen Element 50 und dem Stapel insbesondere zumindest der Umfangskantenteil mit ausreichender Festigkeit verbunden.
  • B. Abgewandelte Ausführungsbeispiele:
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 1
  • Die Anzahl an gestapelten elastischen Elementen 51 in dem scherelastischen Element 50 ist nicht auf vier beschränkt, wie es im vorstehenden Ausführungsbeispiel gelehrt wurde. In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sind die Endflächen des scherelastischen Elements 50 beide elastische Elemente 51, doch soll dies nicht beschränkend sein.
  • 10 ist ein Diagramm, das ein scherelastisches Element in einem ersten abgewandelten Ausführungsbeispiel wiedergibt. Wie bei dem in 10 wiedergegebenen scherelastischen Element 50b können zwei Schichten elastischer Elemente 51 vorgesehen sein. Die Anzahl an Schichten kann gemäß den Spezifikationen der Brennstoffzelle 100 passend abgeändert werden, so dass der Umfang an elastischer Verformung in der Stapelrichtung auf ein Maß beschränkt werden kann, bei dem keine Gaslecks usw. auftreten, während gleichzeitig eine ausreichende elastische Verformung in der Scherrichtung sichergestellt wird, um für die erforderliche Erschütterungsfestigkeit/Schwingungsfestigkeit zu sorgen. In Fällen, in denen eine hohe Erschütterungsfestigkeit/Schwingungsfestigkeit erforderlich ist, etwa wenn die Brennstoffzelle 100 in einem Auto eingebaut wird, könnte die Anzahl an Schichten elastischer Elemente 51 zum Beispiel auch fünf oder mehr betragen, um ein hohes Maß an elastischer Verformung in der Scherrichtung sicherzustellen. In Fällen, in denen die Erschütterungsfestigkeit/Schwingungsfestigkeit nicht entscheidend ist, etwa wenn sich die Brennstoffzelle 100 in einer Wohnstätte befindet, kann alternativ eine einzelne Schicht des elastischen Elements 51 (ohne feste Elemente 52) ausreichen.
  • Wie bei dem in 10 wiedergegebenen scherelastischen Element 50b können steife Elemente 52 beide Endflächen des scherelastischen Elements bilden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass das elastische Element 51, das sich am äußeren Ende des scherelastischen Elements 50b befindet, mit ausreichender Festigkeit mit der Endplatte 10 verbunden wird und dass das steife Element 52, das sich am inneren Ende des scherelastischen Elements 50b befindet, mit ausreichender Festigkeit mit dem Ende des Stapels 60, d. h. mit der Isolierplatte 63, verbunden wird.
  • Wenn wie bei dem in 10 wiedergegebenen scherelastischen Element steife Elemente 52 die Endflächen des scherelastischen Element bilden, wäre es akzeptabel, auf das Verbinden zwischen den steifen Elementen 52 am Ende und dem die steifen Elemente 52 in der Stapelrichtung berührenden Element (z. B. der Endplatte 10 oder der Isolierplatte 63) zu verzichten, wenn die steifen Elemente 52 ausreichend steif sind und kein Risiko besteht, dass sich wie in 9 wiedergegeben ein Spalt NT bildet. Dies spart nicht nur die Notwendigkeit für den Verbindungsschritt, sondern verringert auch die Anzahl an Montageschritten für die Brennstoffzelle 100, was eine leichtere Montage gestattet. Wenn andererseits wie in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel elastische Elemente 51 beide Enden des scherelastischen Elements 50 bilden, ist ein Verbindungsschritt erforderlich, doch verringert sich die Anzahl an Teilen, da es weniger steife Elemente 52 gibt.
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 2
  • Bei den scherelastischen Elementen 50 des vorherigen Ausführungsbeispiels besteht die Vielzahl elastischer Elemente 51 aus EPDM, doch soll dies nicht beschränkend sein. Die elastischen Elemente 51 bestehen vorzugsweise aus irgendeinem Material mit Kautschukelastizität, wie z. B. einem Kautschuk oder Elastomer. Bestimmte Beispiele schließen Silikonkautschuk, Butylkautschuk, Acrylkautschuk, Naturkautschuk, Fluorkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Elastomere auf Styrolbasis und Elastomere auf Fluorbasis ein. Kautschukelastizität bezieht sich auf eine Elastizität, die sich aus dem Strecken und Zusammenziehen von Polymerketten (Mikro-Brown’sche Bewegung) ergibt. Abhängig von der für die Brennstoffzelle 100 erforderlichen Erschütterungsfestigkeit/Schwingungsfestigkeit können die Elemente aus einem Material ausgebildet sein, dem die Kautschukelastizität fehlt oder das nur in einem bestimmten Maße einer elastischen Verformung in der Scherrichtung unterliegt. Auch in diesem Fall bestehen die elastischen Elemente 51 vorzugsweise aus einem Material, dessen elastische Verformung in der Scherrichtung größer als die elastische Verformung des Stapels 60 in der Scherrichtung ist.
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 3
  • Bei den scherelastischen Elementen 50 des vorherigen Ausführungsbeispiels ist die Vielzahl elastischer Elemente 51 so aufgestapelt, dass sie von den steifen Elementen 52 in die Mitte genommen wird, doch kann die Vielzahl an elastischen Elementen 51 auch so aufgestapelt werden, dass sie von anderen Elementen als den steifen Elementen 52 in die Mitte genommen wird, die in der Stapelrichtung eine geringere Druckverformung als die elastischen Elemente 51 erfahren. Zum Beispiel könnten anstelle der steifen Elemente 52 Elemente aus Materialien verwendet werden, denen die Steifheit von Metall oder Keramik fehlt, denen aber auch Kautschukelastizität fehlt, z. B. ein Gewirk aus hochfesten Fasern oder Kunststoff.
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 4
  • Für die Polsterelemente 40 in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel können verschiedene Aufbauformen und Materialien eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Polsterelemente 40 einen doppellagigen Aufbau haben, der sich aus einer Isolierschicht, die so angepasst ist, das sie den Stapel 60 berührt und isoliert, und einer Polsterschicht zusammensetzt, die zwischen der Isolierschicht und der Spannplatte 20 positioniert ist und so angepasst ist, dass sie eine Reaktionskraft erzeugt. Die Isolierschicht kann z. B. ein Fluorharz einsetzen, während die Polsterschicht einen Urethanschaum, Fluorkautschuke, Elastomere auf Fluorbasis oder dergleichen einsetzen kann. Für die Polsterelemente 40 können auch beutelförmige Elemente verwendet werden, die mit Luft gefüllt sind.
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 5
  • Auf die Polsterelemente 40 in dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann auch insgesamt verzichtet werden. In diesem Fall kann ein Kurzschluss zwischen der Vielzahl an Stromerzeugungseinheiten 61, die den Stapel 60 bilden, durch eine Formgebung verhindert werden, die anstelle von Metall ein Isoliermaterial verwendet, oder durch eine aufgebrachte Isolierschicht. Unter Bezugnahme auf 11 und 12 wird ein fünftes abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelle ohne die Polsterelemente 40 beschrieben. 11 ist ein schematisches Diagramm, das eine Brennstoffzelle in dem fünften abgewandelten Ausführungsbeispiel wiedergibt. 12 ist eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des fünften abgewandelten Ausführungsbeispiels, wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird. Wie in den zuvor beschriebenen 7 und 8 sind die Längenverhältnisse der Elemente in 11 und 12 zur Erleichterung des Verständnisses passend abgeändert.
  • Die Brennstoffzelle 100c des abgewandelten Ausführungsbeispiels 5 unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 100 des Ausführungsbeispiels insofern, als ihr Polsterelemente 40 fehlen. In der Brennstoffzelle 100c des abgewandelten Ausführungsbeispiels 5 befinden sich die Spannplatten 20 aufgrund der fehlenden Polsterelemente 40 näher an den Seitenflächen des Stapels, wobei zwischen den Spannplatten 20 und den Seitenflächen des Stapels 60 Spalte SP vorhanden sind. Die übrige Anordnung ist bei der Brennstoffzelle 100c des abgewandelten Ausführungsbeispiels 5 die gleiche wie bei der Brennstoffzelle 100 des Ausführungsbeispiels und wird nicht weiter beschrieben.
  • Es wird angenommen, dass der Stapel 60 aufgrund von Erschütterungen oder Schwingungen der Brennstoffzelle 100c mit einer externen Kraft F belastet worden ist, die in 12 von oben nach unten gerichtet ist. In diesem Fall erfährt der Gesamtstapel 60 bei der Brennstoffzelle 100c dieses abgewandelten Ausführungsbeispiels wie bei der Brennstoffzelle 100 des Ausführungsbeispiels aufgrund der Scherverformung des scherelastischen Elements 50 in 7 eine Verlagerung in die Abwärtsrichtung. Zu diesem Zeitpunkt biegt sich der Gesamtstapel 60 und kommt mit dem Polsterelement 40 auf der unteren Seite in Kontakt. Dadurch wird von der gebogenen Spannplatte 20 eine Reaktionskraft Q' auf den Stapel 60 ausgeübt. Dadurch wird in diesem Ausführungsbeispiel die auf dem Stapel 60 aufgebrachte maximale Scherspannung f um die Reaktionskraft Q' verringert, weswegen f = (F – Q')/2 gilt. Im Ergebnis verbessern sich die Erschütterungsfestigkeit und Schwingungsfestigkeit der Brennstoffzelle 100.
  • – Abgewandeltes Ausführungsbeispiel 6
  • In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sind die scherelastischen Elemente 50 jeweils an den Enden des Stapels 60 angeordnet, doch wäre es auch akzeptabel, nur an einem Ende ein scherelastisches Element 50 anzuordnen. Wenn zum Beispiel keine hohe Erschütterungsfestigkeit/Schwingungsfestigkeit erforderlich ist, wäre es denkbar, nur an einem Ende ein scherelastisches Element 50 vorzusehen.
  • – Andere abgewandelte Ausführungsbeispiele
  • Auf die Isolierplatten 63 kann in dem Ausführungsbeispiel in Fällen verzichtet werden, in denen das scherelastische Element 50 ausreichende Isoliereigenschaften hat. In diesen Fällen könnte sich das scherelastische Element 50 mit der Sammelplatte 62 in Kontakt befinden oder mit ihr verbunden werden.
  • In den vorstehenden Ausführungsbeispielen setzen sich die Separatoren aus drei Lagen Metallplatten zusammen, doch können die Separatoren 80 auch mit anderen Formgebungen und Materialien gestaltet werden. Außerdem wären auch andere Formen für die Separatoren 80 möglich.
  • Die Erfindung ist oben unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte exemplarische Ausführungsbeispiele und abgewandelte Ausführungsbeispiele im Detail gezeigt worden. Allerdings ist die Erfindung keineswegs auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele oder abgewandelten Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Schutzbereich der Erfindung sind auch verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen enthalten. Die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung sind zwar in verschiedenen Kombinationen und Gestaltungen gezeigt worden, doch sind diese lediglich exemplarisch, wobei es möglich ist, dass Elemente wahlweise hinzugefügt oder abgezogen werden. Ein einzelnes Element kann ebenfalls eingesetzt werden. Solche Ausführungsarten fallen ebenfalls in den Schutzumfang der Erfindung.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die am 27. Dezember 2006 eingereichte japanische Patentanmeldung Nr. 2006-350905 und beansprucht die Priorität dieser japanischen Patentanmeldung, wobei ihre gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Brennstoffzelle (100), die Stromerzeugungseinheiten einsetzt, die eine Elektrolytmembran und auf jeweils einer Seite der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden aufweisen, umfasst einen Stapel (60), der eine gestapelte Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten enthält, ein Klemmelement (10) und ein scherelastisches Element (50). Das Klemmelement (10) wird zum Festklemmen des Stapels (60) in der Stapelrichtung verwendet. Das scherelastische Element (50) ist zwischen dem Klemmelement (10) und einer Endfläche des Stapels (60) in der Stapelrichtung eingefügt und verformt sich elastisch in einer Scherrichtung, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2006-350905 [0067]

Claims (11)

  1. Brennstoffzelle, die Stromerzeugungseinheiten einsetzt, die eine Elektrolytmembran und auf jeweils einer Seite der Elektrolytmembran angeordnete Elektroden aufweisen, wobei die Brennstoffzelle Folgendes umfasst: einen Stapel, der eine gestapelte Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten enthält; ein Klemmelement zum Festklemmen des Stapels in der Stapelrichtung; und ein scherelastisches Element, das in der Stapelrichtung zwischen dem Klemmelement und einer Endfläche des Stapels eingefügt ist und so angepasst ist, dass es sich in einer Scherrichtung elastisch verformt, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das scherelastische Element ein kautschukelastisches Element mit Kautschukelastizität umfasst.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Umfang der elastischen Verformung des scherelastischen Elements in der Scherrichtung größer als der Umfang der elastischen Verformung des Stapels in der Scherrichtung ist.
  4. Brennstoffzelle nach einen der Ansprüche 1 bis 3, wobei das scherelastische Element eine Kontaktfläche hat, die ein anderes Element in der Stapelrichtung berührt; und zumindest ein Umfangskantenteil der Kontaktfläche mit dem anderen Element verbunden ist.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das scherelastische Element eine Vielzahl von kautschukelastischen Elementen mit Kautschukelastizität und ein oder eine Vielzahl von sich wenig verformenden Elementen umfasst, deren Druckverformung in der Stapelrichtung geringer als die der Vielzahl von kautschukelastischen Elementen ist; und die Vielzahl von kautschukelastischen Elementen unter Einfügung der sich wenig verformenden Elemente aufeinander gestapelt ist.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Ende des scherelastischen Elements in der Stapelrichtung von dem sich wenig verformenden Element gebildet wird, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem Klemmelement oder dem Stapel im Kontakt befindet.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei zumindest ein Ende des elastischen Elements in der Stapelrichtung von einem kautschukelastischen Element gebildet wird, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem Klemmelement oder dem Stapel im Kontakt befindet.
  8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit außerdem: einem Reaktionskraft ausübenden Element, das auf zumindest einen Abschnitt einer Seitenfläche des Stapels, die in Stapelrichtung verläuft, im Ansprechen auf eine Verlagerung des Stapels in der Scherrichtung eine Reaktionskraft ausübt.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, mit außerdem: einer Platte, die so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Abschnitt der Seitenfläche des Stapels bedenkt, die in Stapelrichtung verläuft, wobei das Reaktionskraft ausübende Element ein Polsterelement ist, das zwischen dem Stapel und der Platte positioniert ist und Polstereigenschaften hat.
  10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Stapel außerdem eine zwischen dem Klemmelement und der Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten angeordnete Sammelplatte enthält.
  11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Stapel außerdem eine zwischen der Sammelplatte und dem Klemmelement angeordnete Isolierplatte enthält.
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