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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Brennstoffzelle und insbesondere
auf eine Verbesserung bei einem Brennstoffzellenstapel.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts
dessen ist es demnach Aufgabe der Erfindung, die Erschütterungsfestigkeit
und Schwingungsfestigkeit einer Brennstoffzelle zu verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung, die eine Formgebung einer Brennstoffzelle in einem
Ausführungsbeispiel wiedergibt;
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2 ist
eine Darstellung, die gestapelte Stromerzeugungseinheiten wiedergibt;
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3 ist
eine Darstellung, die eine Formgebung eines scherelastischen Elements 50 wiedergibt;
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4 ist
ein Diagramm, das ein Muster zeigt, das in einer Simulation verwendet
wurde;
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5 ist
ein Kurvenbild, das Ergebnisse einer Simulation wiedergibt;
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6A und 6B zeigen
einen gestapelten Aufbau und EPDM mit Einschichtaufbau;
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7 ist
eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle im Ausführungsbeispiel,
wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird;
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8 ist
eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des Ausführungsbeispiels,
wenn von den Seitenflächen Druck aufgebracht wird;
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9 ist
eine Darstellung, die einen Reaktionsgas/Kühlmittel-Leckagemodus
darstellt;
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10 ist
ein Diagramm, das ein scherelastisches Element in einem ersten abgewandelten
Ausführungsbeispiel wiedergibt;
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11 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Brennstoffzelle in einem fünften
abgewandelten Ausführungsbeispiel wiedergibt; und
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12 ist
eine Darstellung des Verhaltens der Brennstoffzelle des fünften
abgewandelten Ausführungsbeispiels, wenn von den Seitenflächen Druck
aufgebracht wird.
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BESTE AUSFÜHRUNGSART
DER ERFINDUNG
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Die
Brennstoffzelle wird unten anhand von bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben, während auf die beigefügten Zeichnungen Bezug
genommen wird.
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A. Ausführungsbeispiele:
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– Ausgestaltung der Brennstoffzelle
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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B. Abgewandelte Ausführungsbeispiele:
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
1
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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.
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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.
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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.
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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.
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
2
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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.
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
3
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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.
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
4
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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.
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
5
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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.
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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.
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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.
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– Abgewandeltes Ausführungsbeispiel
6
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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.
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– Andere abgewandelte
Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
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Zitierte Patentliteratur
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