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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren derselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung einer Struktur einer Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Eine Brennstoffzelle (z. B. eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) hat allgemein einen Aufbau, bei dem eine Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Elektrolyten, der zwischen Trennelementen angeordnet ist, aufweisen, gestapelt sind, jedoch an dem Ende eines Stapelglieds (einem Zellstapel), das die gestapelten Zellen in einer Stapelrichtung aufweist, eine Temperatur infolge eines Wärmeaustauschs zwischen dem Ende und der Atmosphäre ohne weiteres sinkt. Ein Aufbau ist unterdessen bekannt, bei dem beispielsweise eine sogenannte Wärmeisolationszelle, die eine Luftschicht hat, die aus einem geschlossenen Raum oder dergleichen aufgebaut ist, vorgesehen ist, um eine Isolationsschicht zu bilden, wodurch das Sinken der Temperatur aufgrund eines Wärmeaustauschs mit der Atmosphäre unterdrückt wird (siehe z. B. die
JP 2002-184449 A ).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Einfluss einer Wärme, die während einer Leistungserzeugung erzeugt wird, verursacht jedoch Möglichkeiten, dass sich ein Gas in einem geschlossenen Abschnitt einer Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle ausdehnt und ein Trennelement verformt wird oder sich eine Verschlussfunktion in einem peripheren Verschlussabschnitt verschlechtert.
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Um dieses Problem zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle, die die Verformung eines Trennelements (eines plattenähnlichen Glieds bzw. Elements) oder die Verschlechterung einer Verschlussfunktion aufgrund einer Wärme, die während einer Leistungserzeugung erzeugt wird, unterdrückt, und ein Herstellungsverfahren derselben zu schaffen.
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Um eine solche Aufgabe zu lösen, hat der vorliegende Erfinder verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Die im Vorhergehenden erwähnte Wärmeisolationszelle für die Brennstoffzelle hat eine Zellstruktur ähnlich zu derselben einer anderen Zelle, und dieselbe ist oftmals ähnlich oder annähernd wie eine andere Zelle in einem Abschnitt, wie z. B. einer Verschlussstruktur, die ein Dichtungselement verwendet, mit der Ausnahme, dass anstatt einer Membran-Elektroden-Anordnung der anderen Zelle eine leitfähige Platte, die ausgezeichnete Isolationseigenschaften hat, dazwischen angeordnet ist. In diesem Fall hat eine geschlossene Luftschicht, die an dem Ende eines Zellstapelglieds (einem Zellstapel) gebildet ist, einen Vorteil, dass eine sogenannte Verunreinigung unterdrückt werden kann, hat jedoch einen Nachteil, dass sich die Dichtungs- bzw. Verschlussfunktion, wie im Vorhergehenden beschrieben ist, verschlechtern kann. Der vorliegende Erfinder hat weitere Untersuchungen, diesen Punkt in Betracht ziehend, durchgeführt und hat eine neue Erkenntnis erhalten, um eine solche Aufgabe zu lösen.
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Die vorliegende Erfindung wurde basierend auf einer solchen Erkenntnis entwickelt und schafft eine Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle, bei der eine Isolationsschicht aus einem oder mehreren plattenähnlichen Elementen bzw. Gliedern und einem Dichtungselement bzw. Verschlussglied aufgebaut ist, wobei die Wärmeisolationszelle mit einem Verbindungs- bzw. Kommunikationsabschnitt versehen ist, der in mindestens einem Teil einer Verschlusslinie bzw. Dichtungslinie, die durch das Dichtungselement gebildet ist, um die Isolationsschicht und das Äußere der Zelle zu verschließen, angeordnet ist und die Isolationsschicht mit dem Äußeren verbindet.
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Bei einer herkömmlichen Struktur, bei der beispielsweise ein Luftaustausch zwischen einer Region, die ein Isolationsglied aufweist, und dem Äußeren nicht realisiert werden kann, ändert sich der Innendruck infolge einer thermischen Ausdehnung/Zusammenziehung während eines Betriebs. In einem solchen Fall dehnt sich ein Gas in der Region, die mit der Dichtungslinie verschlossen ist, aus oder zieht sich zusammen, und der Einfluss einer solchen Änderung wird auf das plattenähnliche Element (das Trennelement) ausgeübt, wodurch sich der Druck einer Berührungsoberfläche zwischen dem Isolationsglied und dem plattenähnlichen Elementändern kann, und es kann sich der Widerstand der gesamten Wärmeisolationszelle ändern. Wenn sich außerdem eine Kraft ändert, wird das plattenähnliche Elementselbst versetzt oder verformt, und ein Oberflächendruck auf die benachbarte Zelle wird manchmal ungleichmäßig. Wenn eine solche Situation auftritt, kann sich ein Leistungserzeugungsverhalten in dem Zellstapelglied verschlechtern, und die Isolationsfunktion der Wärmeisolationszelle kann sich gemäß einer Verwendungstemperatur ändern. Gemäß der Wärmeisolationszelle für die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann andererseits das Gas, wenn sich das Gas (Luft) in der Isolationsschicht infolge des Einflusses der Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, ausdehnt, durch den Verbindungsabschnitt gehen, um zu dem Äußeren zu entweichen. Während die Isolationsfunktion der Isolationsschicht sichergestellt wird, kann als Folge die Verschlechterung der Verschlussfunktion in dem Verschlussabschnitt um das plattenähnliche Glied bzw. Element aufgrund des Einflusses der Wärme unterdrückt werden.
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Bei der Wärmeisolationszelle für die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt in mindestens einem der plattenähnlichen Elementeversehen ist, einen Vorsprung. Der Vorsprung, der auf dem Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt auf diese Art und Weise versehen ist, angeordnet ist, kann derart funktionieren, dass der Verbindungsabschnitt, der in mindestens einem Teil der Dichtungslinie gebildet ist, eine einheitliche Breite hat, und derart, dass eine Region, die ein Luftloch aufbaut, eine konstante Größe hat. Wenn außerdem ein solcher Vorsprung gebildet ist, um beispielsweise an ein anderes plattenähnliches Elementanzugrenzen, ist der Vorsprung ein Anschlag, um zu verhindern, dass das plattenähnliche Elementwährend des Herstellens der Wärmeisolationszelle verformt wird. In einem Fall, bei dem das Dichtungselement ausreichend unter Druck gesetzt ist und gefügt wird, während das Dichtungselement nicht ohne weiteres fließt, kann ein Verschlussverhalten verbessert werden.
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Der Vorsprung ist vorzugsweise aus mindestens zwei vorspringenden Abschnitten aufgebaut, die den Verbindungsabschnitt definieren. In diesem Fall kann der Vorsprung mit einer solchen Höhe gebildet sein, dass der Vorsprung nicht in eine Berührung mit einem Teil des anderen plattenähnlichen Elementsgerät, oder mit einer solchen Höhe gebildet sein, dass der Vorsprung in eine Berührung mit einem Teil des anderen plattenähnlichen Elementsgerät.
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Es ist außerdem vorzuziehen, dass die Isolationsschicht durch ein Isolationsglied gebildet ist, und dass das Isolationsglied in dem Verbindungsabschnitt angeordnet ist. Bei einer Struktur, bei der beispielsweise ein Teil des Isolationsglieds zwischen einen oder mehreren plattenähnlichen Elementenangeordnet ist, kann der dazwischen angeordnete Teil des Isolationsglieds funktionieren, um zu verhindern, dass das plattenähnliche Elementinfolge des Einflusses einer äußeren Kraft verformt wird.
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Die Dichtungslinie kann beispielsweise lediglich in der äußeren Peripherie eines Verteilers für ein Reaktandgas oder ein Kältemittel gebildet sein. Von einem Standpunkt aus, dass die Dichtungslinie lediglich in einem minimal notwendigen Abschnitt gebildet ist, kann die Dichtungslinie um das Isolationsglied weggelassen sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein Herstellungsverfahren einer Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle, bei der eine Isolationsschicht aus einem oder mehreren plattenähnlichen Elementenund einem Dichtungselement aufgebaut ist, geschaffen, wobei das Verfahren den Schritt eines Vorsehens eines Vorsprungs, der hin zu einer anderen Zelle an mindestens einem plattenähnlichen Elementvorsteht, aufweist, wobei der Vorsprung einen unterbrochenen Abschnitt in mindestens einem Teil des Dichtungselements aufbaut, und der unterbrochene Abschnitt einen Verbindungsabschnitt bildet, der die Isolationsschicht mit dem Äußeren verbindet. In einem solchen Fall ist es möglich, während des Herstellens einen Zirkulierabschnitt (einen Luftentladungsdurchgang) sicher zu bilden, durch den ein Gas (Luft) in der Isolationsschicht, das sich infolge des Einflusses der Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, ausdehnt, zu dem Äußeren entweichen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Seitenansicht, die ein Strukturbeispiel einer Brennstoffzelle bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt;
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2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die eine Region II von 1 zeigt;
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3 ist eine Draufsicht, die einen schematischen Aufbau einer Wärmeisolationszelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist eine Seitenansicht, die in der Mitte einen Verbindungsabschnitt bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist eine Seitenansicht, die in der Mitte einen Verbindungsabschnitt bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist eine Seitenansicht, die in der Mitte einen Verbindungsabschnitt bei einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 ist eine Seitenansicht, die in der Mitte einen Verbindungsabschnitt bei einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist eine Seitenansicht, die ein anderes Beispiel des Verbindungsabschnitts bei dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres anderes Beispiel des Verbindungsabschnitts bei dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres Beispiel des Verbindungsabschnitts bei dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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11 ist eine Draufsicht, die einen schematischen Aufbau einer Wärmeisolationszelle bei einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Im Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 bis 11 zeigen das Ausführungsbeispiel einer Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einer Wärmeisolationszelle 4 für eine Brennstoffzelle 1 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden beispielsweise zwei Trennelemente (plattenähnliche Glieder bzw. Elemente) 20 und ein Verschlussglied bzw. Dichtungselement 13 eine Isolationsschicht, und die Wärmeisolationszelle hat einen Kommunikationsabschnitt bzw. Verbindungsabschnitt 11, der in mindestens einem Teil einer Verschlusslinie bzw. Dichtungslinie, die durch ein Dichtungselement gebildet ist, um die Isolationsschicht und das Äußere der Wärmeisolationszelle 4 zu verschließen, angeordnet ist und die Isolationsschicht mit dem Äußeren verbindet.
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Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zuerst der gesamte Aufbau der Brennstoffzelle 1, die die Zellen 2 und die Wärmeisolationszelle 4 aufweist, beschrieben, und dann ist der Aufbau der Wärmeisolationszelle 4 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die den Verbindungsabschnitt 11 hat, beschrieben.
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1, 2 zeigen einen schematischen Aufbau der Brennstoffzelle 1 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Es sei bemerkt, dass diese Brennstoffzelle 1 bei einem Wagen angebrachten Leistungserzeugungssystem von beispielsweise einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV; FCHV = Fuel Cell Hybrid Vehicle) verwendbar ist, jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Beispiel begrenzt ist, und die vorliegende Erfindung ist bei einem Leistungserzeugungssystem, das in selbstständigen Körpern, wie z. B. verschiedenen mobilen Körpern (z. B. einem Schiff, einem Flugzeug etc.) und einem Roboter, anzubringen ist, und ferner in einem stationären Leistungserzeugungssystem verwendbar.
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Die Brennstoffzelle 1 weist ein Zellstapelglied 3, bei dem eine Mehrzahl von Zellen (auf die im Folgenden als die Leistungserzeugungszellen Bezug genommen ist) 2 gestapelt sind, auf, und auf den äußeren Seiten der Endzellen 2 sind in einer Stapelrichtung ferner an beiden Enden des Zellstapelglieds 3 Anschlussplatten 5, die mit Ausgangsanschlüssen 5a versehen sind, Isolatoren (Isolationsplatten) 6 und Endplatten 7 vorgesehen. Eine vorbestimmte zusammendrückende Kraft ist dem Zellstapelglied 3 in der Stapelrichtung durch Spannungsplatten 8, die sich erstrecken, um beide Endplatten 7 miteinander zu verbinden, hinzugefügt. Eine Druckplatte 9 und ein Federmechanismus 9a sind zwischen der Endplatte 7 und dem Isolator 6 auf einer Endseite des Zellstapelglieds 3 derart vorgesehen, dass die Schwankungen einer Last, die auf die Leistungserzeugungszellen 2 ausgeübt wird, absorbiert werden.
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Jede der Leistungserzeugungszellen 2 ist aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA; MEA = Membrane-Electrode Assembly) aufgebaut, die eine Elektrolytmembran, die aus einer Ionenaustauschmembran und einem Paar von Elektroden, die die Membran von beiden Oberflächen zwischen sich anordnen, aufgebaut ist, und ein Paar von Trennelementen 20, das diese Membran-Elektroden-Anordnung von dem Äußeren zwischen sich anordnet, aufweist. Jedes der Trennelemente 20 ist ein Leiter, der beispielsweise aus einem Metall als ein Grundmaterial hergestellt ist, hat einen Fluiddurchgang zum Zuführen von Brennstoffgasen, wie z. B. einem oxidierenden Gas, beispielsweise Luft, und einem Wasserstoffgas, zu den Elektroden und führt eine Funktion eines Blockierens der Mischung von heterogenen Fluiden, die den Leistungserzeugungszellen 2, die benachbart zueinander angeordnet sind, zuzuführen sind, durch. Gemäß einem solchen Aufbau tritt bei den Membran-Elektroden-Anordnungen der Leistungserzeugungszellen 2 eine elektrochemische Reaktion auf, und es kann eine elektromotorische Kraft erhalten werden. Es sei bemerkt, dass diese elektrochemische Reaktion eine Wärme erzeugende Reaktion ist, und daher sind die Trennelemente 20 mit Fluiddurchgängen versehen, durch die ein Kältemittel (z. B. ein Kühlwasser) zum Kühlen der Brennstoffzellen fließt.
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An beispielsweise beiden Enden von jedem Trennelement 20 sind beispielsweise ferner Verteiler (ein Verteiler 15 für ein oxidierendes Gas, ein Brennstoffgasverteiler 16 und ein Kältemittelverteiler 17) gebildet, durch die das oxidierende Gas, das Brennstoffgas bzw. das Kältemittel in der Zellstapelrichtung fließen (siehe 3). Bei der Brennstoffzelle 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die Fluide (das oxidierende Gas, das Brennstoffgas und das Kältemittel) den einlassseitigen Verteilern 15 bis 17 von Fluidzuführrohren (nicht gezeigt), die in der Endplatte 7, die an einem Ende der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist, vorgesehen sind, zugeführt und fließen durch die Fluiddurchgänge, die in den Trennelementen 20 der Zellen 2 vorgesehen sind. Die Fluide werden ferner von den Auslassseitenverteilern 15 bis 17 zu Fluidentladerohren (nicht gezeigt), die in der Endplatte 7, die an dem anderen Ende der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist, vorgesehen sind, entladen.
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Jede der Wärmeisolationszellen 4 ist mit einer Isolationsschicht versehen, die aus beispielsweise zwei Trennelementen 20 und dem Dichtungselement 13 aufgebaut ist und führt eine Funktion eines Unterdrückens der Freisetzung von Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, zu der Atmosphäre oder dergleichen durch. Das heißt an den Enden des Zellstapelglieds 3 sinkt durch einen Wärmeaustausch zwischen den Enden und der Atmosphäre eine Temperatur ohne weiteres, und daher sind Isolationsschichten an den Enden des Zellstapelglieds 3 gebildet, um den Wärmeaustausch (die Wärmefreisetzung) zu unterdrücken. Eine solche Isolationsschicht hat einen Aufbau, bei dem anstatt der Membran-Elektroden-Anordnung ein Isolationsglied 10, wie z. B. eine leitfähige Platte, zwischen einem Paar von Trennelementen 20 ähnlich zu denselben jeder Leistungserzeugungszelle 2 angeordnet ist. Das Isolationsglied 10 zur Verwendung bei diesem Fall hat vorzugsweise ausgezeichnete Isolationseigenschaften, und beispielsweise ist ein leitfähiges poröses Blech oder dergleichen insbesondere verwendet. Die Peripherie des Isolationsglieds 10 ist außerdem mit dem Dichtungselement 13 verschlossen, wodurch eine Luftschicht gebildet ist. Die Peripherien der Verteiler 15 bis 17 für die Fluide sind ferner mit dem Dichtungselement 13 verschlossen, wodurch die Verteiler von der Isolationsschicht getrennt sind. Es sei bemerkt, dass der allgemeine strukturelle Abschnitt der Wärmeisolationsschicht hierin beschrieben ist, und die charakteristische Struktur der Wärmeisolationszelle 4 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im Folgenden beschrieben.
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Es sei bemerkt, dass es möglich ist, als das Dichtungselement 13 ein elastisches Material (eine Dichtung), das physisch in eine enge Berührung mit einem benachbarten Element (z. B. dem Trennelement 20) gerät, um das Fluid zu verschließen, ein Haftmittel, das an dem benachbarten Elementdurch chemisches Binden haftet, oder dergleichen zu verwenden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist beispielsweise ein Elementzum physischen Verschließen aufgrund einer Elastizität als das Dichtungselement 13 verwendet, statt diesem Elementkann jedoch ein Elementzum Verschließen aufgrund eines chemischen Bindens, beispielsweise das vorhergehende Haftmittel, verwendet sein. Spezifische Beispiele sind jedoch insbesondere nicht auf diese Beispiele begrenzt, und mit der Ausnahme dieser Beispiele ist es unnötig zu erwähnen, dass beispielsweise ein Dichtungselement, auf das als ein Verschlussmittel Bezug genommen ist, oder ein gelähnliches Verschlussmaterial, ein flüssigkeitsähnliches Hinterfüllen bzw. Stopfen oder dergleichen verwendet sein kann.
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Die Anschlussplatten 5 sind Elemente, die als Stromsammelplatten funktionieren und sind in plattenähnliche Elemente, die aus einem Metall, wie z. B. Eisen, rostfreiem Stahl, Kupfer oder Aluminium, hergestellt sind, gebildet. Die Oberfläche der Anschlussplatte 5 auf der Seite der Wärmeisolationszelle 4 wird einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. einem Plattieren ausgesetzt, und durch eine solche Oberflächenbehandlung wird ein Kontaktwiderstand hinsichtlich der Wärmeisolationszelle sichergestellt. Beispiele eines Plattierungsmaterials weisen Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Zink und Zinn auf, und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beispielsweise ein Zinnplattieren in Anbetracht einer Leitfähigkeit, Verarbeitbarkeit und Unaufwendigkeit durchgeführt.
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Die Isolatoren 6 sind Elemente, die eine Funktion eines elektrischen Isolierens der Anschlussplatten 5 und der Endplatten 7 durchführen. Um eine solche Funktion durchzuführen, sind die Isolatoren 6 in plattenähnliche Elementeneines Harzmaterials, wie z. B. Polycarbonat, gebildet.
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Die Endplatten 7 sind in plattenähnliche Elemente, die aus einem von verschiedenen Metallen (Eisen, rostfreiem Stahl, Kupfer, Aluminium und dergleichen) hergestellt sind, auf die gleiche Art und Weise wie bei den Anschlussplatten 5 gebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Endplatten 7 aus beispielsweise Kupfer hergestellt, dies ist jedoch bloß ein Beispiel, und die Endplatten können aus einem anderen Metall hergestellt sein.
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Der Aufbau der Wärmeisolationszelle 4 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Nächstes beschrieben. Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, hat die Wärmeisolationszelle 4 für die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung den Verbindungsabschnitt 11 zum Verbinden des Äußeren der Isolationsschicht in mindestens einem Teil einer Dichtungslinie (einem rahmenähnlichen Verschlussabschnitt, der aus dem Dichtungselement 13 aufgebaut ist oder aus demselben aufzubauen ist, oder einem linearen Abschnitt, der mit dem Dichtungselement 13 versehen ist), die die Isolationsschicht und das Äußere der Wärmeisolationszelle 4 verschließt (siehe 3). Im Folgenden ist die Wärmeisolationszelle 4, die eine solche Struktur hat, hinsichtlich der ersten bis fünften Ausführungsbeispiele beschrieben (siehe 4 bis 11).
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<Erstes Ausführungsbeispiel>
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Eine Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels hat einen Verbindungsabschnitt 11, der durch teilweises Trennen von mindestens einem Teil eines Dichtungselementes 13 (siehe 4) gebildet ist. Der Verbindungsabschnitt 11 kann durch Anordnen des Dichtungselements (eine Hinterfüllung, eine Dichtung oder dergleichen) 13, das beispielsweise eine Länge, die für ein Erstrecken einmal entlang einer Dichtungslinie nicht ausreichend ist, (siehe 3, 4) hat, zwischen gegenüberliegenden Trennelementen 20 gebildet sein. Wenn alternativ ein Haftmittel angewendet ist, ist ein Zwischenraum, der ein Luftloch aufbaut, gebildet, um den Verbindungsabschnitt 11 zu bilden, wenn der Zwischenraum beispielsweise zwischen zwei Trennelementen 20 angeordnet ist.
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Die Wärmeisolationszelle 4, die diesen Verbindungsabschnitt 11 aufweist, kann die Verschlechterung der Verschlussfunktion des Dichtungselementes 13 aufgrund des Einflusses einer Wärme unterdrücken, während die Isolierfunktion einer Isolationsschicht sichergestellt ist. Das heißt bei der Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann, wenn sich in der Isolationsschicht infolge des Einflusses der Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, ein Gas (Luft) ausdehnt, das Gas durch den Verbindungsabschnitt gehen, um zu dem Äußeren zu entweichen. Nach dem Ende des Betriebs einer Brennstoffzelle 11 kann, wenn sich das Gas (die Luft) in der Isolationsschicht infolge des Sinkens einer Temperatur zusammenzieht, eine äußere Luft durch den Verbindungsabschnitt 11 in die Isolationsschicht fließen. Das heißt, bei einer herkömmlichen Struktur, bei der ein Luftaustausch zwischen einer Region, die die Isolationsschicht aufweist, und dem Äußeren nicht realisiert werden kann, dehnt sich infolge des Einflusses der Wärme ein Gas in einer Region, die durch die Dichtungslinie umgeben (verschlossen) ist, aus oder zieht sich zusammen, und eine solche Änderung hat einen Einfluss auf die Trennelemente 20, wodurch sich ein Berührungsoberflächendruck zwischen einem Isolationsglied 10 und den Trennelementen 20 ändern kann. Gemäß der Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es jedoch möglich, die Verschlechterung der Verschlussfunktion aufgrund des Einflusses der Änderung der Wärme und des Drucks zu unterdrücken, während die Isolierfunktion der Isolationsschicht sichergestellt ist.
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<Zweites Ausführungsbeispiel>
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Eine Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist derart gebildet, dass ein Verbindungsabschnitt 11, der in mindestens einem Teil eines Dichtungselements 13 gebildet ist, eine einheitlich Breite hat, und derart, dass eine Region, die ein Luftloch aufbaut, eine konstante Größe hat. An einem Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt 11 in einem der gegenüberliegenden Trennelemente 20 beispielsweise vorgesehen ist, wird insbesondere ein Paar von vorspringenden Abschnitten (ein Vorsprung) 21, das den Kommunikationsabschnitt bzw. Verbindungsabschnitt 11 bildet, im Voraus angeordnet (siehe 5). In diesem Fall funktioniert das Paar von vorspringenden Abschnitten 21 als Dämme, die das Verschlussglied bzw. Dichtungselement 13 daran hindern, in den Verbindungsabschnitt (oder einen Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt versehen ist) 11 zu fließen oder auf eine andere Weise in denselben einzutreten, derart, dass der Verbindungsabschnitt 11, der die einheitliche Breite hat, ungeachtet von Bedingungen, wie z. B. der Menge, Länge oder Dicke des Dichtungselements 13 und ferner einer Temperatur oder eines Drucks, während der Bildung, gebildet werden kann.
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Gemäß der Wärmeisolationszelle 4, die den Verbindungsabschnitt 11, der auf diese Weise vereinheitlicht ist, aufweist, während derselbe die Isolierfunktion einer Isolationsschicht sicherstellt, ist es möglich, sicherer die Verschlechterung der Verschlussfunktion des Dichtungselementes 13 aufgrund des Einflusses von Wärme zu unterdrücken. Die Schwankungen der Form oder Funktion des Verbindungsabschnitts 11 in jedem Erzeugnis können außerdem vorteilhaft unterdrückt werden. Die gegenüberliegenden Trennelemente 20 geraten ferner nicht in eine direkte Berührung miteinander, was einen Vorteil erzeugt, dass die Isolationseigenschaften der Wärmeisolationszelle 4 ohne weiteres sichergestellt werden können.
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<Drittes Ausführungsbeispiel>
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Eine Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ähnlich zu derselben des vorhergehenden Ausführungsbeispiels dahingehend, dass vorspringende Abschnitte (ein Vorsprung) 21 vorher auf einem Abschnitt, der mit einem Verbindungsabschnitt 11 in einem von gegenüberliegenden Trennelementen 20 versehen ist, angeordnet werden, die vorspringenden Abschnitte 21 jedoch eine solche Höhe haben, um an die Oberfläche des gegenüberliegenden Trennelements 20 anzugrenzen (siehe 6). In diesem Fall eliminieren die vorspringenden Abschnitte 21 einen Zwischenraum um den Verbindungsabschnitt 11, um einen Platz zu verringern, in den ein Dichtungselement eintritt, derart, dass die vorspringenden Abschnitte funktionieren, um das Fließen des Dichtungselements 13 sicher zu unterdrücken. Selbst wenn zusätzlich ein solcher Druck, um die Trennelemente 20 dazwischen anzuordnen, ausreichend während des Herstellens der Wärmeisolationszelle 4 hinzugefügt wird, funktionieren die vorspringenden Abschnitte 21 als Anschläge, um die Verformung der Trennelemente 20 zu unterdrücken. Ein Isolationsglied 10 wird ausreichend zusammengedrückt und gefügt, während das Dichtungselement 13 nicht ohne weiteres fließt, wodurch ein Verschlussverhalten verbessert werden kann.
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Gemäß der Wärmeisolationszelle 4, die den Verbindungsabschnitt 11, der auf diese Weise vereinheitlicht ist, während derselbe die Isolierfunktion einer Isolationsschicht sicherstellt, aufweist, ist es möglich, die Verschlechterung der Verschlussfunktion des Dichtungselementes 13 aufgrund des Einflusses von Wärme sicher zu unterdrücken. Die Schwankungen einer Präzision der Form oder Funktion von jedem Erzeugnis können außerdem vorteilhaft unterdrückt werden.
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<Viertes Ausführungsbeispiel>
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Bei einer Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein Verbindungsabschnitt aufbauendes Element 22 getrennt von einem Dichtungselement 13 zwischen gegenüberliegenden Trennelementen 20 angeordnet (siehe 7 bis 10). Bei diesem Verbindungsabschnitt aufbauenden Element 22 sind vorspringende Abschnitte (ein Vorsprung) 21 ähnlich zu denselben, die im Vorhergehenden beschrieben sind, auf einem Abschnitt, der mit einem Verbindungsabschnitt 11 versehen ist, angeordnet.
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Das Verbindungsabschnitt aufbauende Element 22 ist vorzugsweise aus einem Element (z. B. einem Harzrahmen oder dergleichen) gebildet, das Isolationseigenschaften hat, die ausgezeichneter als dieselben von mindestens den Trennelementen 20 sind. Zusätzlich zu den Isolationseigenschaften des Verbindungsabschnitt aufbauenden Element 22 selbst kann die Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine hohe Isolierfunktion ausüben, da das Verbindungsabschnitt aufbauende Element bzw. Glied 22 zwischen den Trennelementen 20 angeordnet ist, um die Dicke einer Isolationsschicht zu erhöhen. Es sei bemerkt, dass das Verbindungsabschnitt aufbauende Element 22 ein plattenähnliches Elementsein kann, dass die gesamte Oberfläche einer Dichtungslinie bedeckt, oder ein rahmenähnliches Elementsein kann, das mindestens einer Dichtungslinie überlagert ist.
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Im Folgenden ist eine spezifische Struktur beschrieben. Bei einer Wärmeisolationszelle 4, die beispielsweise in 7 gezeigt ist, ist ein Verbindungsabschnitt aufbauendes Element 22, das mit einem Paar von vorspringenden Abschnitten 21 an jeder der beiden Oberflächen desselben versehen ist, zwischen Trennelementen 20 angeordnet (siehe 7). Dichtungselemente 13 sind außerdem jeweils an beiden Oberflächen des den Verbindungsabschnitt aufbauenden Elements 22 vorgesehen. Die vorspringenden Abschnitte 21 der Oberflächen funktionieren als Dämme, die das Dichtungselement 13 daran hindern, in einen Verbindungsabschnitt (oder einen Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt versehen ist) 11 zu fließen oder auf eine andere Weise in denselben einzutreten, derart, dass der Verbindungsabschnitt 11, der eine einheitliche Breite hat, ungeachtet von Bedingungen, wie z. B. der Menge, Länge oder Dicke des Dichtungselements 13 und ferner einer Temperatur oder eines Drucks, während der Bildung gebildet werden kann. Diese Wärmeisolationszelle 4 weist zusätzlich die Verbindungsabschnitte 11 in mindestens zwei Abschnitten derselben auf und hat daher einen Vorteil, dass Luft während der Ausdehnung oder Zusammenziehung ohne weiteres fließt.
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Bei einer Wärmeisolationszelle 4, die in 8 gezeigt ist, ist außerdem ein Verbindungsabschnitt aufbauendes Element 22, das mit einem Paar von vorspringenden Abschnitten 21 lediglich auf einer Oberfläche desselben versehen ist, zwischen Trennelementen 20 angeordnet (siehe 8). Dichtungselemente 13 sind an beiden Oberflächen des den Verbindungsabschnitt aufbauenden Elements 22 jeweils vorgesehen. Die vorspringenden Abschnitte 21, die an der einen Oberfläche gebildet sind, funktionieren als Dämme, die das Dichtungselement 13 daran hindern, in einen Verbindungsabschnitt (oder einen Abschnitt, der mit dem Verbindungsabschnitt versehen ist) 11 zu fließen oder in denselben auf eine andere Weise einzutreten, derart, dass der Verbindungsabschnitt 11, der eine einheitliche Breite hat, ungeachtet von Bedingungen, wie z. B. der Menge, Länge oder Dicke des Dichtungselements 13 und ferner einer Temperatur oder eines Drucks, während der Bildung gebildet werden kann. In diesem Fall ist das Dichtungselement 13 an den Rückoberflächen der vorspringenden Abschnitte 21 ununterbrochen gebildet, ohne auf halbem Weg getrennt zu sein (siehe 8).
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Bei einer in 9 gezeigten Wärmeisolationszelle 4 ist ein Verbindungsabschnitt aufbauendes Element 22, das mit einem Paar von vorspringenden Abschnitten 21 an jeder der beiden Oberflächen derselben versehen ist, zwischen Trennelementen 20 angeordnet, und die vorspringenden Abschnitte 21 haben eine Höhe, die derart bestimmt ist, dass die vorspringenden Abschnitte an die gegenüberliegenden Oberflächen der Trennelemente 20 angrenzen, um eine Isolationsschicht, die eine konstante Dicke hat, zu erhalten (siehe 9). In diesem Fall eliminieren die vorspringenden Abschnitte 21 Zwischenräume um Verbindungsabschnitte 11, um Räume, in die Dichtungselemente 13 eintreten, zu verringern, und funktionieren daher, um das Fließen der Dichtungselemente 13 sicher zu unterdrücken, derart, dass die Verbindungsabschnitte 11, die eine einheitliche Breite haben, gebildet werden können. Selbst wenn zusätzlich ein solcher Druck, um die Trennelemente 20 dazwischen anzuordnen, ausreichend während des Herstellens der Wärmeisolationszelle 4 hinzugefügt wird, funktionieren die vorspringenden Abschnitte 21 als Anschläge, um die Verformung der Trennelemente 20 zu unterdrücken. Ein Isolationsglied 10 ist ausreichend zusammengedrückt und gefügt, während die Dichtungselemente 13 nicht ohne weiteres fließen, wodurch ein Verschlussverhalten verbessert werden kann. Diese Wärmeisolationszelle 4 weist zusätzlich die Verbindungsabschnitte 11 in mindestens zwei Abschnitten derselben auf und hat daher einen Vorteil, dass Luft während einer Ausdehnung oder Zusammenziehung ohne weiteres fließt.
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Bei einer in 10 gezeigten Wärmeisolationszelle 4 ist ein Verbindungsabschnitt aufbauendes Element 22, das mit einem Paar von vorspringenden Abschnitten 21 an lediglich einer Oberfläche desselben versehen ist, zwischen zwei Trennelementen 20 angeordnet, und dieses Paar von vorspringenden Abschnitten 21 hat eine Höhe, die derart bestimmt ist, dass die vorspringenden Abschnitte an die Oberfläche des gegenüberliegenden Trennelements 20 angrenzen (siehe 10). In diesem Fall eliminieren die vorspringenden Abschnitte 21 einen Zwischenraum um den Verbindungsabschnitt 11, um einen Raum, in den ein Dichtungselement 13 eintritt, zu verringern, derart, dass die vorspringenden Abschnitte funktionieren, um das Fließen des Dichtungselementes 13 sicher zu unterdrücken, und der Verbindungsabschnitt 11, der eine einheitliche Breite hat, kann ungeachtet von Bedingungen, wie z. B. der Menge, Länge oder Dicke des Dichtungselements 13 und ferner einer Temperatur oder eines Drucks, während der Bildung gebildet werden. In diesem Fall ist das Dichtungselement 13 an den Rückoberflächen der vorspringenden Abschnitte 21 ununterbrochen gebildet, ohne auf halbem Weg getrennt zu sein (siehe 10).
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Es sei bemerkt, dass bei dem vorhergehenden vierten Ausführungsbeispiel die Wärmeisolationszelle 4, die die Struktur, die die vorspringenden Abschnitte 21, die an einer Oberfläche oder beiden Oberflächen des Verbindungsabschnitt aufbauenden Elements 22 gebildet sind, aufweist, hat, dargestellt wurde (siehe 7 bis 10), jedoch eine ähnliche Funktion durch eine Struktur, die sich von dieser Struktur unterscheidet, realisiert sein kann. Das heißt, obwohl es nicht besonders gezeigt ist, dass beispielsweise ähnliche vorspringende Abschnitte 21 an einem oder beiden der Trennelemente 20, anstatt eines Bildens der vorspringenden Abschnitte 21 an dem Verbindungsabschnitt aufbauenden Element 22, gebildet sein können. Die vorspringenden Abschnitte 21 können alternativ an sowohl dem Verbindungsabschnitt aufbauenden Element 22 als auch dem Trennelement 20 gebildet sein.
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<Fünftes Ausführungsbeispiel>
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Bei dem im Vorhergehenden erwähnten Ausführungsbeispielen wurde eine Struktur dargestellt, bei der mindestens ein Teil eines Dichtungselementes (eine Dichtungslinie) teilweise getrennt (unterbrochen) ist, um einen Verbindungsabschnitt 11 zu bilden, es kann jedoch eine Struktur realisiert sein, bei der der Verbindungsabschnitt 11, der eine solche spezifische Form hat, gebildet ist, und bei der ein Gas (Luft) im Wesentlichen zirkuliert und geändert werden kann. Ein spezifisches Beispiel ist beschrieben. Bei einer Wärmeisolationszelle 4 des in 11 gezeigten vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein Dichtungselement 13 nicht um ein Isolationsglied 10 vorgesehen, ist jedoch lediglich um Verteiler 15 bis 17, die eine Dichtungslinie erfordern, vorgesehen.
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Bei der Wärmeisolationszelle 4, bei der die Verschlusslinie bzw. Dichtungslinie um eine Isolationsschicht sozusagen abgeschafft ist, ist somit die Isolationsschicht (einschließlich des Isolationsglieds 10) mit der Dichtungslinie nicht verschlossen, und daher kann das Gas (die Luft) durch den Seitenabschnitt des Isolationsglieds 10 gehen, um zwischen der Isolationsschicht und dem Äußeren der Schicht zu zirkulieren (siehe 11). Bei der Wärmeisolationszelle 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist mit anderen Worten ein Verbindungsabschnitt 11 entlang der Seitenabschnitte eines Trennelements 2 (beiden Seitenabschnitten, die nicht mit den Verteilern 15 bis 17 versehen sind) gebildet, und das Isolationsglied 10 ist in dem Verbindungsabschnitt 11 angeordnet, wodurch es möglich ist, die Verformung der Trennelemente 20, die durch die Ausdehnung oder das Zusammenziehen des Gases (der Luft) aufgrund des Einflusses der Wärme verursacht wird, zu unterdrücken, während die Isolierfunktion der Isolationsschicht sichergestellt wird.
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Es sei bemerkt, dass als das Isolationsglied 10 mit der Ausnahme des im Vorhergehenden erwähnten leitfähigen Isolationsglieds, das aus einem Harzrahmen aufgebaut ist, ein Isolationsfilm oder ein plattenähnliches Element, das aus einem Teflon-(Marke)Material hergestellt ist, verwendet sein kann. Ein leitfähiges Isolationsglied, das feine Luftlöcher hat, kann alternativ verwendet sein. Das Isolationsglied 10 hat vorzugsweise außerdem eine Größe annähernd gleich zu derselben der Membran-Elektroden-Anordnung von jeder Leistungserzeugungszelle 2 und hat vorzugsweise eine bis zu einem solchen Ausmaß breite Form, dass das Element über eine virtuelle Dichtungslinie hinaus angeordnet ist (siehe 11). Dieses Isolationsglied 10 ist ferner zwischen den Trennelementen 20 vorgesehen und funktioniert, um die Verformung der Trennelemente 20 zu unterdrücken.
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Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, weist die Wärmeisolationszelle 4 für die Brennstoffzelle der Ausführungsbeispiele den Verbindungsabschnitt 11 auf, durch den das Gas zirkulieren kann, und daher kann ein Luftaustausch zwischen einem thermisch sich ausdehnenden oder zusammenziehenden Innengas (Luft) und Außenluft durchgeführt werden, um die Änderung eines Innendrucks zu unterdrücken. In der Folge ist es möglich, die Verschlechterung der Verschlussfunktion bei der Wärmeisolationszelle 4 aufgrund der Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, zu unterdrücken. Bei einem Fall, bei dem der Verbindungsabschnitt 11 durch die vorspringenden Abschnitte 21 definiert ist, derart, dass der Verbindungsabschnitt eine konstante Breite oder eine konstante Region hat, können außerdem Schwankungen zwischen Erzeugnissen eliminiert werden, und das Gas kann stabil zirkulieren. Es ist unnötig, zu erwähnen, dass die vorhergehende Wärmeisolationszelle 4 eine inhärente Isolierfunktion eines Unterdrückens der Freisetzung der Reaktionswärme von jeder Leistungserzeugungszelle 2 von dem Zellstapelglied 3 ausreichend ausübt, um die Niedertemperaturstarteigenschaften der Brennstoffzelle 1 zu verbessern.
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Es sei bemerkt, dass das vorhergehende Ausführungsbeispiel ein Beispiel des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel begrenzt und kann verschieden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, modifiziert sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden beispielsweise die zwei vorspringenden Abschnitte 21, die Seite an Seite angeordnet sind, als das spezifische Beispiel des Vorsprungs beschrieben. Dieses Beispiel ist jedoch bloß ein bevorzugtes Beispiel. Kurz gesagt gibt es keine spezielle Beschränkung des Vorsprungs, solange der Verbindungsabschnitt 11 des Gases gebildet werden kann, während mindestens ein Teil des Dichtungselementes (die Dichtungslinie) 13 getrennt (unterbrochen) ist. Die Form des Vorsprungs ist daher nicht auf die vorhergehende Form begrenzt, und es gibt keine spezielle Beschränkung der Zahl und der Einbauplätze der vorspringenden Abschnitte. Ein Beispiel ist beschrieben. Wenn der Vorsprung gebildet ist, um runde Spitzen zu haben, und an das Trennelement (das plattenähnliche Element) 20, das dem Vorsprung gegenüber liegt, angrenzt, kann der Vorsprung verhindern, dass die Wärme von einem Trennelement 20 zu dem anderen Trennelement 20 ohne weiteres übertragen wird, während die Funktion eines Anschlags ausgeübt wird.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise außerdem dargestellt, dass das Isolationsglied 10 kleiner als das Dichtungselement (die Dichtungslinie) 13 ist, als ein anderes Beispiel kann jedoch ein Isolationsglied 10, das eine Größe hat, die annähernd gleich derselben des Dichtungselementes (der Dichtungslinie) 13 oder dergleichen ist, verwendet sein und dem Verbindungsabschnitt 11 überlagert sein. Bei einer Struktur, bei der beispielsweise ein Teil eines Isolationsglieds zwischen zwei plattenähnlichen Elementen (Trennelementen) angeordnet ist, kann der dazwischen angeordnete Teil des Isolationsglieds funktionieren, um die Verformung der Trennelemente aufgrund des Einflusses einer äußeren Kraft zu unterdrücken.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Verformung eines Trennelements (eines plattenähnlichen Elements) in einer Wärmeisolationszelle aufgrund einer Wärme, die während der Leistungserzeugung erzeugt wird, und die Verschlechterung einer Verschlussfunktion zu unterdrücken.
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Die vorliegende Erfindung kann daher bei einer Wärmeisolationszelle für eine Brennstoffzelle, die einen solchen Bedarf hat, und bei einem Herstellungsverfahren derselben breit genutzt werden.
