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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel.
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Technischer Hintergrund
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Eine
bekannte Struktur für einen an einem Fahrzeug montierbaren
Brennstoffzellenstapel weist ein Zelllaminat bzw. eine Zellschichtstruktur
auf, die erhalten wird, indem Platten mit der Funktion einer Leistungserzeugungsanordnung
und Platten mit der Funktion eines Separators bzw. Abscheiders abwechselnd
aneinander gestapelt werden. Bei dem Brennstoffzellenstapel gemäß dieser
bekannten Struktur besteht dahingehend ein Problem, dass er einen
geringen Widerstand gegen eine in einer Richtung (die in der nachfolgenden
Beschreibung auch als „auf gleicher Ebene verlaufende Richtung” bezeichnet
wird) senkrecht zu einer Stapelrichtung der jeweiligen Platten (die
in der nachstehenden Beschreibung einfach auch als „Stapelrichtung” bezeichnet
wird) wirkenden Trägheitslast aufweist. Jede Platte erzeugt
einen Widerstand in einer Pressrichtung einer Ebene gegen eine Trägheitslast
in der Stapelrichtung, während ein Widerstand anhand einer
Reibungskraft erzeugt wird, die auf eine Grenzfläche zwischen
einem benachbarten Plattenpaar gegen die Trägheitslast
in der auf gleicher Ebene verlaufenden Richtung wirkt. In einem
Vorschlag für eine Struktur, die in der
JP-A-2006-108009 offenbart
ist, wird eine Aussparung entlang dem Umfang einer jeden Platte
gebildet und ein Gehäuse mit einer speziellen mit der Aussparung
zusammenpassenden Form verwendet, um eine mögliche Verschiebung der
Platte in der auf gleicher Ebene verlaufenden Richtung zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch
die auf dem Zusammenpassen der Formen basierende Einschränkung
konzentriert sich jedoch die Trägheitslast auf einen Bereich,
wo Formen entsprechend zusammengepasst sind, und die Umfänge
am Gehäuse und an den Platten müssen eine erhöhte
Steifigkeit aufweisen. Dies führt zu einem unerwünschten
Gewichtsanstieg. Die auf dem Zusammenpassen der Formen basierende
Einschränkung setzt für die jeweiligen Platten
und das Gehäuse zudem strikte Formtoleranzen und Montagegenauigkeiten
voraus.
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Um
die Aufgabe des oben erläuterten Stands der Technik zu
lösen, bestünde somit das Erfordernis, eine Technik
zu schaffen, die auf einen Brennstoffzellenstapel angewendet wird,
um den Widerstand gegen eine Trägheitslast, die auf eine
auf gleicher Ebene verlaufende Richtung senkrecht zu einer Stapelrichtung
einer Zellschichtstruktur bzw. eines Zelllaminats einwirkt, durch
eine einfache Struktur zu erhöhen.
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Die
vorliegende Erfindung wird zumindest einem Teil der oben erwähnten
Erfordernis und anderen entsprechenden Erfordernissen durch eine
Vielzahl von Konfigurationen und Anordnungen gerecht, die nachstehend
erörtert werden.
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Gemäß einem
Aspekt ist die Erfindung auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet,
der eine Zellschichtstruktur beinhaltet, die erhalten wird, in dem mehrere
Platten mit zumindest einer der Funktionen einer Leistungserzeugungsanordnung
oder eines Separators beinhaltet sind, und ein Paar von Endplatten,
die außerhalb und an beiden Enden der Zellschichtstruktur
in einer Stapelrichtung angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel
beinhaltet ferner ein eine Verschiebung verhinderndes Element, das
sich entlang der Stapelrichtung der Zellschichtstruktur erstreckt
und an dem Paar von Endplatten befestigt ist, und ein verformbares
Zwischenmaterial, das zwischen der Zellschichtstruktur und dem eine
Verschiebung verhindernden Element über einem Bereich von
zwei oder mehr Platten zwischen den mehreren Platten angeordnet
ist. Zumindest ist jeweils eine der zwei oder mehreren Platten und
das eine Verschiebung verhindernde Element so konzipiert, dass es eine
konkav-konvexe Form aufweist, die zumindest teilweise auf einer
Fläche ausgebildet ist, die sich in Kontakt mit dem Zwischenmaterial
befindet.
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In
dem Brennstoffzellenstapel gemäß diesem Aspekt
der Erfindung ist das verformbare Zwischenmaterial zwischen der
Zellschichtstruktur und dem eine Verschiebung verhindernden Element über dem
Bereich von zwei oder mehr Platten von den mehreren Platten angeordnet.
Zumindest ist jeweils eine von den zwei oder mehreren Platten und
das eine Verschiebung verhindernde Element so konzipiert, dass es
eine konkav-konvexe Form aufweist, die zumindest teilweise auf der
Fläche ausgebildet ist, die sich in Kontakt mit dem Zwischen
material befindet. Die konkav-konvexe Form erzeugt einen Effekt,
der dem Zustand der Eingriffnahme bzw. eines Formschlusses mit dem
verformbaren Zwischenmaterial entspricht, wodurch eine große
Reibungskraft entsteht. Dieser Effekt der Eingriffnahme wird ohne Weiteres
erreicht, ohne dass ein Zusammenpassen der konvex-konkaven Form
zu berücksichtigen wäre.
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Die
Verformung des „Zwischenmaterials” beinhaltet
(1) eine elastische Verformung eines elastischen Zwischenmaterials,
wie z. B. einer Polyurethanschicht oder eines Gummi- bzw. Kautschukmaterials,
die durch die Platten oder das eine Verschiebung verhindernde Element
verursacht wird, das gegen das Zwischenmaterial gepresst wird, und
(2) eine vorgehärtete Verformung eines aushärtbaren
Zwischenmaterials, wie z. B. eines Harzes oder Klebstoffs bzw. Haftmittels.
Die Terminologie einer „Zellschichtstruktur, die erhalten
wird, indem mehrere Platten mit zumindest einer der Funktionen einer Leistungserzeugungsanordnung
oder eines Separators aneinandergestapelt werden” umfasst
Zellschichtstrukturen verschiedener Konfigurationen, z. B. eine „Zellschichtstruktur,
die erhalten wird, indem mehrere Platten mit der Funktion der Leistungserzeugungsanordnung
und mehrere Platten mit der Funktion des Separators abwechselnd
aneinandergestapelt werden”, eine „Zellschichtstruktur,
die erhalten wird, indem mehrere Platten mit sowohl der Funktion
der Leistungserzeugungsanordnung als auch des Separators aneinandergestapelt
werden” und eine „Zellschichtstruktur, die erhalten
wird, indem mehrere Plattengruppen aneinandergestapelt werden, wobei
jede Plattengruppe eine Platte mit der Funktion der Leistungserzeugungsanordnung
beinhaltet, die zwischen zwei Platten mit der Funktion des Separators
angeordnet ist”.
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In
einer zu bevorzugenden Ausführungsform der Erfindung beinhaltet
der Brennstoffzellenstapel des vorstehenden Aspekts ferner ein Befestigungselement,
das so konfiguriert ist, dass das Paar von Endplatten in der Stapelrichtung
an beiden Enden der Zellschichtstruktur in der Stapelrichtung komprimiert
bzw. zusammengedrückt und vorgespannt wird. Das Befestigungselement
und das eine Verschiebung verhindernde Element sind strukturell
integriert. In dem Brennstoffzellenstapel dieser Ausführungsform
wird durch die strukturelle Integrität des Befestigungselements
und des eine Verschiebung verhindernden Elements die Steifigkeit
des eine Verschiebung verhindernden Elements weiter erhöht.
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In
einer zu bevorzugenden Anwendung des Brennstoffzellenstapels gemäß dem
vorstehenden Aspekt der Erfindung handelt es sich bei dem Zwischenmaterial
um ein elastisches Material. Das eine Verschiebung verhindernde
Element ist so angeordnet, dass die Zellschichtstruktur in einer
Richtung senkrecht zur Stapelrichtung komprimiert und vorgespannt
wird. Durch diese Anordnung wird ohne Weiters ein Effekt erzeugt,
der dem Zustand einer Eingriffnahme bzw. einem Formschlusszustand
entspricht, wodurch Montageeigenschaften und Wiederverwendbarkeit
effektiv verbessert werden.
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In
einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform der Erfindung
beinhaltet der Brennstoffzellenstapel des vorstehenden Aspekts ferner
ein streifenförmiges Element, das so konzipiert ist, dass
es ein geschlossenes Profil aufweist, das den Umfang der Zellschichtstruktur
und des eine Verschiebung verhindernden Elements um eine Achse in
der Stapelrichtung bedeckt, und so konfiguriert ist, dass das eine
Verschiebung verhindernde Element vom Umfang der Zellschichtstruktur
komprimiert und unter Vorspannung gesetzt wird. In dem Brennstoffzellenstapel
dieser Ausführungsform entsteht auf dem streifenförmigen
Element eine Zuglast. Diese Anordnung sorgt somit für eine
effektive Erhöhung der Vorspannkraft des eine Verschiebung
verhindernden Elements.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die Erfindung auch auf ein Fahrzeug gerichtet,
das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist. Das Fahrzeug
weist daher das Brennstoffzellensystem auf, das so konfiguriert
ist, dass es einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet, und ein Antriebssystem,
das so konfiguriert ist, dass es eine von dem Brennstoffzellensystem
zugeführte elektrische Leistung verbraucht und das Fahrzeug
antreibt. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Zellschichtstruktur,
die erhalten wird, indem mehrere Platten mit zumindest entweder
einer Funktion einer Leistungserzeugungsanordnung oder eines Separators
aneinandergestapelt werden; und ein Paar von Endplatten, die außerhalb
und an beiden Enden der Zellschichtstruktur in einer Stapelrichtung
positioniert sind. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet ferner
ein eine Verschiebung verhinderndes Element, das sich entlang der
Stapelrichtung der Zellschichtstruktur erstreckt und an dem Paar
von Endplatten befestigt ist, und ein verformbares Zwischenmaterial,
das zwischen der Zellschichtstruktur und dem eine Verschiebung verhindernden
Element über einem Bereich von zwei oder mehr Platten entlang
der mehreren Platten positioniert ist. Zumindest sind entweder die
zwei oder mehr Platten oder ist das eine Verschiebung verhindernde Element
so konzipiert, dass sie eine konkav-konvexe Form aufweisen, die
zumindest teilweise auf einer Fläche ausgebildet ist, die
sich in Kontakt mit dem Zwischenmaterial befindet.
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Die
erfindungsgemäße Technik wird durch viele verschiedene
andere Anwendungen realisiert, die ein Brennstoffzellensystem und
ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels beinhalten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1A ist
eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines Fahrzeugs
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
darstellt;
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1B ist
eine erläuternde Ansicht, die die Struktur eines Brennstoffzellenstapels 100h in
einem halbfertigen Zustand in einer ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht auf den halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h;
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3 ist
eine erläuternde Ansicht, die die Struktur eines fertiggestellten
Brennstoffzellenstapels 100 in der ersten Ausführungsform
zeigt;
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4 ist
eine erläuternde Ansicht, die einen Querschnitt A-A des
Brennstoffzellenstapels 100 in der ersten Ausführungsform
zeigt;
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5 ist
eine Explosionszeichnung, die einen Brennstoffzellenstapel 100a in
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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6 ist
eine erläuternde Ansicht, die ein eine Verschiebung verhinderndes
Element 200a zeigt, das in der zweiten Ausführungsform
durch zwei Stifte 121a verbunden und strukturell integriert
bzw. zusammengefasst ist;
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7 ist
eine erläuternde Ansicht, die die Struktur des zusammengebauten
Brennstoffzellenstapels 100a in der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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8 ist
eine erläuternde Ansicht, die ein eine Verschiebung verhinderndes
Element 200b zeigt, das in einem modifizierten Beispiel
der zweiten Ausführungsform mit zwei Stifen verbunden und strukturell
integriert bzw. zusammengefasst ist.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Einige
Arten und Weisen des Ausführens der Erfindung werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung als bevorzugte
Ausführungsformen erläutert.
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A. Struktur für einen Brennstoffzellenstapel
in einer ersten Ausführungsform der Erfindung
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1A ist
eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines Fahrzeugs
darstellt, das mit einem Brennstoffzellenstapel in einer Ausführungsform der
Erfindung ausgestattet ist. Wie dargestellt, beinhaltet ein Fahrzeug 300 einen
Brennstoffzellenstapel 100, einen Elektromotor 330 als
Antriebsquelle des Fahrzeugs 300 und einen Antriebsschaltkreis 340, der
so konfiguriert ist, dass er die von dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführte
elektrische Leistung verbraucht und den Elektromotor 330 antreibt.
Die durch den Elektromotor 330 erzeugte Leistung wird über
ein Getriebe 320 an ein Paar von Antriebsrädern 310 übertragen.
Bei dem Elektromotor 330 handelt es sich um einen Drehstrommotor
mit Dauermagneten. Im Antriebsschaltkreis 340 werden Schaltelemente
(nicht gezeigt) verwendet, um die Gleichstromleistung, die von dem
Brennstoffzellenstapel 100 erhalten wird, in eine dreiphasige
Wechselstrom- bzw. eine Drehstrom-Antriebsleistung umzuwandeln, und
die Dreiphasen-Wechselstrom-Antriebsleistung dem Elektromotor 330 zugeführt.
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Nachstehend
erfolgt eine Beschreibung des Brennstoffzellenstapels 100. 1B ist
eine erläuternde Ansicht, die den Brennstoffzellenstapel 100 der
Ausführungsform in einem halbmontierten Zustand darstellt.
Die eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 (auf die
später eingegangen wird) werden in ihrem Ist-Zustand am
Brennstoffzellenstapel 100 angebracht. Zur Verdeutlichung
der Funktionen der eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 in
der Struktur der Ausführungsform erfolgt zunächst eine
Erläuterung des Brennstoffzellenstapels in einem halbfertigen
Zustand vor dem Anbringen der eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 erläutert
(wobei dieser Brennstoffzellenstapel nachstehend auch als ein halbfertiger
Brennstoffzellenstapel 100h bezeichnet wird). Der halbfertige
Brennstoffzellenstapel 100h beinhaltet eine Zellschichtstruktur 110,
ein Paar von Endplatten 150 und 160, die auf beiden
Enden der Zellschichtstruktur 110 in deren Stapelrichtung
(in einer von links nach rechts verlaufenden Richtung in der Darstellung
von 1) positioniert sind, und vier
Sätze aus Stiften 121 und Muttern 122,
die verwendet werden, um das Paar von Endplatten 150 und 160 an
der Zellschichtstruktur 110 zu befestigen. Die mehreren
Platten, die in dem halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h beinhaltet sind,
weisen jeweils Öffnungen auf, von denen sie die für
die Strömungen eines Brenngases, Oxidationsgases und Kühlmittels
durchdrungen sind. Bei einer Schichtstruktur aus den mehreren Platten
bilden die für die Strömungen des Brenngases,
des Oxidationsgases und des Kühlmittels Öffnungen
Verteilerlöcher M1 bis M6.
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Das
Koordinatensystem von 1B definiert Richtungen für
den Brennstoffzellenstapel 100h, der in einer bestimmten
Ausrichtung am Fahrzeug 300 montiert ist. Eine in 1B gezeigte
von vorne nach hinten verlaufende Richtung entspricht einer Fahrzeuglängsrichtung.
Eine von links nach rechts verlaufende Richtung und eine von oben
nach unten verlaufende Richtung, die jeweils in 1B gezeigt
sind, entsprechen einer Querrichtung eines Fahrzeugs und einer Vertikalrichtung
eines Fahrzeugs. Die allgemeine Fahrzeugkonstruktion basiert auf
der Annahme, dass, wenn man die Möglichkeit eines Zusammenstoßes
oder eines Auffahrunfalls in Betracht zieht, die größte
Stoßeinwirkung in der Längsrichtung des Fahrzeugs
zum Tragen kommt. Der Brennstoffzellenstapel wird daher unter der
Voraussetzung konstruiert, dass durch eine solche Stoßeinwirkung
möglicherweise auch eine Kraft auf den Brennstoffzellenstapel
ausgeübt wird.
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2 ist
eine Draufsicht auf den halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h,
der gemäß dem Koordinatensystem in 1B von
oben zu sehen ist. Die Zellschichtstruktur 110 wird erhalten,
indem mehrere Platen 10a bis 10u in der Struktur
der Ausführungsform aneinandergestapelt werden. Die mehreren Platten 10a bis 10u beinhalten
Leistungserzeugungsanordnungen und Separatoren. Nur aus Gründen
der besseren Verständlichkeit ist die Zellschichtstruktur 110 mit
den Platten 10a bis 10u dargestellt. Im tatsächlichen
bzw. Ist-Zustand umfasst der Brennstoffzellenstapel jedoch typischerweise eine
größere Anzahl von Platten. Im Fall eines Zusammenstoßes
oder einer Kollision wirken entsprechend der Art des Zusammenstoßes
oder der Kollision verschiedene Kräfte auf den Brennstoffzellenstapel
ein. Aus Gründen der besseren Verständlichkeit wird
davon ausgegangen, dass das Fahrzeug die Fortbewegung infolge eines
Auffahrunfalls nur in der Längsrichtung des Fahrzeugs stoppt.
In diesem Zustand wird auf das Fahrzeug eine negative Beschleunigung
(Verlangsamung) α ausgeübt.
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Die
Endplatten 150 und 160 im halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h sind
an der Fahrzeugkarosserie befestigt und werden dadurch den Fahrbewegungen
des Fahrzeugs 300 entsprechend bewegt. Da die Verlangsamung α durch
einen Auffahrunfall auf das Fahrzeug ausgeübt wird, wirkt
auf eine jeweilige der mehreren Platten 10a bis 10u eine
Trägheitskraft I ein. Die Trägheitskraft I wird
ausgedrückt als: I = m·αwenn „m” eine
Masse einer jeweiligen der Platten 10a bis 10u darstellt.
Wenn die mehreren Platten 10a bis 10u die gleiche
Masse aufweisen, nehmen die jeweiligen Platten 10a bis 10u eine
identische Trägheitskraft I auf. In der Darstellung von 2 wird
die Trägheitskraft I durch Pfeile in der Frontrichtung
gezeigt.
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In
dem halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h sind die jeweiligen
Platten 10a bis 10u zwischen den Endplatten 150 und 160 angeordnet
und werden durch diese zusammengepresst. Eine Reibungskraft (statische
Reibungskraft) wirkt dementsprechend zwischen den jeweiligen benachbarten Paaren
der Platten 10a bis 10u. Eine maximale Reibungskraft
F wird ausgedrückt als: F = ρ·Pwenn
P eine Press- bzw. Druckkraft einer jeweiligen Platte gegen eine
benachbarte Platte von den Platten 10a bis 10u darstellt,
und ρ einen statischen Reibungskoeffizienten darstellt.
In der Darstellung von 2 ist die Reibungskraft F durch
Pfeile in der Rückwärtsrichtung gezeigt.
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In
dem Zustand, in dem die Trägheitskraft I auf die jeweiligen
Platten 10a bis 10u ausgeübt wird, beispielsweise
durch einen Auffahrunfall, wirkt die Reibungskraft als eine Reaktionskraft
und sorgt dafür, dass die jeweiligen Platten 10a bis 10u nicht
bewegt werden, bis der Wert der Trägheitskraft I den Wert
der maximalen Reibungskraft F erreicht. Es findet dementsprechend
keine Verschiebung von einer der Platten 10a bis 10u statt.
Die jeweiligen Platten 10a bis 10u behalten ihre
relativen Positionen solange bei, bis die Trägheitskraft
I, die auf die jeweiligen Platten 10a bis 10u einwirkt,
folgende Beziehung erfüllt: F > Iund die maximale
Reibungskraft F erreicht ist. Werden die relativen Positionen beibehalten,
wird keine der Platten verschoben.
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Im
Zustand einer durch beispielsweise eine Kollision bewirkten Verlangsamung,
weist jede der Platten 10a bis 10u, die in dem
halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h beinhaltet sind,
die nachstehende Beziehung der Trägheitskraft zur Reibungskraft
auf. Das Verhalten der Platte 10k, die im Wesentlichen
in der Mitte der Zellschichtstruktur 110 positioniert ist,
wird durch die Beziehung von einzig der Trägheitskraft
der Platte 10k zu den Reibungskräften bestimmt,
die auf die jeweiligen Grenzflächen zwischen der Platte 10k und
den beiden benachbarten Platten 10j und 101 einwirken.
Das Verhalten der Platte 10a relativ zur Endplatte 150,
an der die Platte 10a befestigt ist, hängt von
der Beziehung der Summe der Trägheitskräfte der
Platten 10a bis 10j und der Hälfte der
Trägheitskraft der Platte 10k zur Reibungskraft
auf einer Grenzfläche zwischen der Platte 10a und
der Endplatte 150 ab. Dies ist darin begründet,
dass alle gestapelten Platten 10a bis 10u sich anscheinend
durch eine abrupte Verlangsamung integriert bzw. in einem Stück
relativ zu den Endplatten 150 und 160 bewegen.
Solange die maximale Reibungskraft F die Trägheitskraft
I überschreitet, bewegt sich keine der Platten von den
Platten 10a bis 10u relativ zu ihrer benachbarten
Platte. Übersteigt die Trägheitskraft I die maximale
Reibungskraft F hingegen, bewegt sich eine beliebige Platte relativ
zu deren benachbarter Platte und bewirkt eine Verschiebung.
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Wenn
der halbfertige Brennstoffzellenstapel 100h eine Trägheitskraft
in einer Richtung (einer auf gleicher Ebene verlaufenden Richtung)
senkrecht zur Stapelrichtung (der Links-Rechts-Richtung) aufnimmt,
wirkt die Reibungskraft, die auf eine Grenzfläche zwischen
jedem benachbarten Paar von Platten 10a bis 10u einwirkt,
oder die Reibungskraft, die auf eine Grenzfläche zwischen
der Platte 10a und der Endplatte 150 oder zwischen
der Platte 10u und der Endplatte 160 wirkt, als
ein Widerstand gegen die in der Stapelrichtung angesammelte Trägheitskraft.
Die maximale Reibungskraft F ist proportional zur Presskraft P einer
jeden Platte gegen eine benachbarte Platte. Die Presskraft P wird
durch die Struktur des Brennstoffzellenstapels eingeschränkt.
In einigen Fällen kann somit alleine die Reibungskraft
F für den erforderlichen Widerstand nicht genügen.
In der Struktur der Ausführungsform sind die eine Verschiebung
verhindernden Elemente 200 an dem halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h angebracht,
um den fertigen Brennstoffzellenstapel 100, der einer solchen
Erfordernis gerecht wird, fertigzustellen.
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3 ist
eine erläuternde Ansicht, die die Struktur eines fertigen
Brennstoffzellenstapels 100 in der ersten Ausführungsform
zeigt. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird dadurch hergestellt,
dass die eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 mit
vierzehn Stiften 220 für jedes Element 200 an
dem halbfertigen Brennstoffzellenstapel 100h angebracht
und festgezogen werden. Jedes der eine Verschiebung verhindernden
Elemente 200 weist eine Gesamtlänge auf, die der
Länge der Zellschichtstruktur 110 in der Stapelrichtung
entspricht und ist an dem Paar von Endplatten 150 und 160 mittels
der vierzehn Stifte 220 befestigt ist.
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4 ist
eine erläuternde Ansicht, die einen Querschnitt A-A des
fertiggestellten Brennstoffzellenstapels 100 in der ersten
Ausführungsform zeigt. Eine Polyurethanschicht 210,
die sowohl isolierende Eigenschaften aufweist als auch elastisch
ist, ist zwischen jedem der eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 und
der Zellschichtstruktur 110 angeordnet. Die Polyurethanschicht 210 weist
eine Dicke auf, die größer ist als der Abstand
zwischen dem eine Verschiebung verhindernden Element 200 und
der Zellschichtstruktur 110. Durch das Anbringen und Befestigen
der eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 an den
Endplatten 150 und 160 wird bewirkt, dass die
Polyurethanschichten 210 komprimiert bzw. zusammengedrückt
und die Endflächen der Zellschichtstruktur 110 in
der Richtung von oben nach unten fest zusammengepresst werden.
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In
der Struktur dieser Ausführungsform weisen sowohl die eine
Verschiebung verhindernden Elemente 200 als auch die Zellschichtstruktur 110 konvex-konkave
Formen auf, die auf deren spezifischen Flächen ausgebildet
sind, die sich mit der Polyurethanschicht 210 in Kontakt
befinden. Eine vergrößerte Ansicht BB in 4 zeigt
einen Kontaktbereich zwischen der Polyurethanschicht 210 und
der Platte 10d. Die konkav-konvexen Formen sind so angeordnet,
dass sie eine Eingriffnahme der eine Verschiebung verhindernden
Elemente 200 und jeder der Platten 10a bis 10u,
die in der Zellschichtstruktur 110 beinhaltet sind, mit
der Polyurethanschicht 210 bewirken und der Reibungskoeffizient
erhöht wird. Die konkav-konvexen Formen werden durch Sandstrahlen,
thermisches Spritzen, spanende Verfahren oder jedes andere geeignete
Verfahren erhalten, durch das eine Oberflächenform verändert
werden kann. Das Sandstrahlverfahren ergibt eine Oberflächenrauigkeit
eines relativ niedrigen Grads (unregelmäßige Konkavität
und Konvexität) von etwa Ra 0,2 bis 20 μm und
Rz 1 bis 120 μm (siehe JIS B0601-1994).
Durch thermische Sprühen ergibt sich eine Oberflächenrauigkeit
eines relativ hohen Grads (unregelmäßige Konkavität
und Konvexität) von etwa Ra 15 bis 40 μm und Rz
80 bis 200 μm (siehe JIS B0601-1994).
Durch das spangebende Verfahren werden größere
konkav-konvexe Formen (regelmäßige und unregelmäßige
Konkavität und Konvexität) erreicht.
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Die
konkav-konvexen Formen, die auf dem eine Verschiebung verhindernden
Element 200 und der Zellschichtstruktur 110 ausgebildet
sind, werden gegen die elastische Polyurethanschicht 210 gepresst,
so dass die jeweiligen Kontaktbereiche der Polyurethanschicht 210 verformt
werden, wie durch die vergrößerte Ansicht BB in 4 gezeigt
ist. Dadurch ergibt sich ein Effekt, der dem Zustand der Eingriffnahme
des eine Verschiebung verhindernden Elements und der Zellschichtstruktur 110 mit
der Polyurethanschicht 210 entspricht. Durch einen derartigen
eingriffartigen Zustand werden an den Endflächen der jeweiligen
Platten 10a bis 10u in der Richtung von oben nach
unten große Reibungskräfte E erzeugt. Die potenzielle
Verschiebung einer jeden Platte wird dementsprechend durch die Beziehung der
Trägheitskraft I zur Summe der maximalen Reibungskräfte
F an den Grenzflächen zwischen der Platte und deren benachbarten
Platten und der maximalen Reibungskräfte E an den Grenzflächen zwischen
den Endflächen der Platte und den eine Verschiebung verhindernden
Elementen 200 bestimmt.
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Durch
die Struktur der Ausführungsform wird eine ausreichend
große Reibungskraft ohne hohe Anforderungen an die Formtoleranzen
der eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 und der Endflächen
der jeweiligen Platten 10a bis 10u erzeugt. Das
eine Verschiebung verhindernde Element 200, das durch die
Reibungskraft eine Last aufnimmt, weist in der Lastwirkungsrichtung
(Richtung vorne nach hinten) eine ausreichend große Breite
auf. Das eine Verschiebung verhindernde Element 200 weist dementsprechend
eine große Kontaktfläche zu den Endflächen
der jeweiligen Platten 10a bis 10u und eine ausreichend
hohe Steifigkeit in der Richtung der Trägheitskraft auf.
Durch diese Anordnung wird somit eine Verschiebung einer jeweiligen
der Platten 10a bis 10u in der Zellschichtststruktur 110 effektiv
verhindert.
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Durch
die einfache Struktur der ersten Ausführungsform wird unter
Verwendung der elastischen Polyurethanschichten 210 und
der eine hohe Steifigkeit aufweisenden, eine Verschiebung verhindernden Elemente 200 eine
Verschiebung einer beliebigen der in der Zellschichtstruktur beinhalteten
Platten effektiv verhindert.
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In
der Struktur der ersten Ausführungsform ist die Polyurethanschicht 210 zwischen
der Zellschichtstruktur 110 und dem eine Verschiebung verhindernden
Element 200 angeordnet. Die Polyurethanschicht ist jedoch
weder von wesentlicher Bedeutung noch unterliegt sie einer Einschränkung, sondern
kann durch ein anderes elastische Material, wie z. B. ein Kautschukmaterial,
oder ein Zwischenmaterial, wie z. B. ein Glasepoxidharz, ein anderes geeignetes
Harz oder einen Klebstoff bzw. ein Haftmittel ersetzt werden. Jede
dieser modifizierten Strukturen bewirkt gleichermaßen eine
Eingriffnahme der konkav-konvexen Formen, die auf der Zellschichtstruktur 110 ausgebildet
sind, und den eine Verschiebung verhindernden Elementen 200.
Beim Auftragen eines Klebstoffs ist es in Bezug auf verbesserte
Montageeigenschaften und die Wiederverwendbarkeit der Materialien
wünschenswert, zwischen zumindest entweder die Zellschichtstruktur 110 oder
das eine Verschiebung verhindernde Element 200 und das
Haftmittel einen Kunststofffilm anzuordnen. Die Oberflächenrauigkeit
und die Regelmäßigkeit (Unregelmäßigkeit)
der konkav-konvexen Formen sollte entsprechend dem Typ des Materials, das
zwischen der Zellschichtstruktur 110 und den eine Verschiebung
verhindernden Elementen 200 angeordnet ist, passend gewählt
werden.
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B. Struktur des Brennstoffzellenstapels
in der zweiten Ausführungsform der Erfindung
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5 ist
eine Explosionsdarstellung, die einen Brennstoffzellenstapel 100a in
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Der Unterschied des Brennstoffzellenstapels 100a der zweiten Ausführungsform
zum Brennstoffzellenstapel 100 der ersten Ausführungsform
ist, dass vier Stifte 121a, die als Befestigungselemente
zum Befestigen der Endplatten 150a und 160a vorgesehen
sind, die entlang einer Zellschichtstruktur 110a angeordnet
sind, mit den eine Verschiebung verhindernden Elementen 200a (auf
die später eingegangen wird) verbunden und strukturell
integriert sind. Zur besseren Verständlichkeit wird auf
die eine Verschiebung verhindernden Elemente 200a in der
Darstellung von 5 verzichtet. Das Koordinatensystem
von 5 definiert Richtungen des Brennstoffzellenstapels 100a,
der in einer bestimmten Ausrichtung an einem Fahrzeug (nicht gezeigt)
angebracht ist.
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Die
Endplatten 150a und 160a sind an beiden Enden
der Zellschichtstruktur 110a in deren Stapelrichtung angeordnet
und an der Zellschichtstruktur 110a mit den vier Stiften 121a und
den acht Schrauben 122a befestigt. Die Bewegungen der vier Stifte 121a in
senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Richtungen (einer von
vorne nach hinten verlaufenden Richtung und einer von oben nach
unten verlaufenden Richtung) werden durch vier Anschläge 152,
die an der Endplatte 150a angeordnet sind, und vier Anschläge 162,
die an der Endplatte 160a angeordnet sind, eingeschränkt.
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6 ist
eine erläuternde Ansicht, die die eine Verschiebung verhindernden
Elemente 200a zeigt, die mit den beiden Stiften 121a durch
Schweißen oder mittels eines Befestigungselements (nicht gezeigt)
miteinander verbunden und strukturell integriert sind. Durch die
strukturelle Integrität können die beiden Stifte 121a eine
sich aus der Ebene herausbewegende Verformung an einem Ende des
eine Verschiebung verhindernden Elements 200a einschränken
und die Steifigkeit des eine Verschiebung verhindernden Elements 200a erhöhen.
Wie das eine Verschiebung verhindernde Element 200 der
ersten Ausführungsform weist das eine Verschiebung verhindernde
Element 200a der zweiten Ausführungsform eine
ausreichend große Breite in der Lastwirkrichtung (von vorne
nach hinten verlaufenden Richtung) auf und weist dementsprechend
eine hohe Steifigkeit in der Lastwirkrichtung auf. Die Struktur
der zweiten Ausführungsform schränkt eine von
der gleichen Ebene abweichende Verformung am Ende des eine Verschiebung
verhindernden Elements 200a ein, wodurch die Steifigkeit
des eine Verschiebung verhindernden Elements 200a weiter
erhöht wird. In der Struktur der zweiten Ausführungsform
sind die Ecken des eine Verschiebung verhindernden Elements 200a durch
die Anschläge 152 und 162 eingeschränkt.
Dadurch wird die Steifigkeit des eine Verschiebung verhindernden
Elements 200a weiter erhöht.
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Eine
elastische Polyurethanschicht 210a ist mit dem Umfang des
eine Verschiebung verhindernden Elements 200a und den beiden
Stiften 121a verbunden. Wie die Polyurethanschicht 210 der
ersten Ausführungsform wird durch die Polyurethanschicht 210a der
zweiten Ausführungsform eine große Reibungskraft
zwischen dem eine Verschiebung verhindernden Element 200a und
der Zellschichtstruktur 110a erzeugt, wodurch eine Verschiebung
einer jeden der Platten, die in der Zellschichtstruktur 110a beinhaltet
sind, effektiv verhindert wird.
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7 ist
eine erläuternde Ansicht, die die Struktur des zusammengebauten
Brennstoffzellenstapels 100a in der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Im zusammengebauten Zustand von 7 sind
die strukturellen Anordnungen 230 (siehe 6),
die durch strukturelles Integrieren des eine Verschiebung verhindernden
Elements 200a mit den beiden Stiften 121a entstehen,
an der Zellschichtstruktur 110a angebracht.
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Wenn
eine Trägheitskraft I auf den Brennstoffzellenstapel 100a der
zweiten Ausführungsform beispielsweise durch eine Kollision
des Fahrzeugs ausgeübt wird, wird durch die Reibungskräfte,
die auf die Grenzflächen der jeweiligen benachbarten Plattenpaare
einwirken, und die Reibungskräfte, die auf die Endflächen
der jeweiligen Platten in der von oben nach unten verlaufenden Richtung über
die Polyurethanschichten 210a einwirken, eine Verschiebung
aller Platten, die in der Zellschichtstruktur 110a beinhaltet
sind, effektiv verhindert. Die Elastizität der Polyurethanschicht 210a und
der konvex-konkaven Formen, die auf den Endflächen der
Zellschichtstruktur in der von oben nach unten verlaufenden Richtung ausgebildet
sind, bewirkt, dass die Zellschichtstruktur 110a mit der
Polyurethanschicht 210a in Eingriff gelangt. Dieser Eingriffzustand
weist einen hohen Reibungskoeffizienten und dadurch eine hohe maximale Reibungskraft
auf. Das eine Verschiebung verhindernde Element 200a wird
durch die beiden Stifte 121a befestigt, so dass die Polyurethanschicht 210a fest
gegen die Endflächen der Zellschichtstruktur 110a in
der von oben nach unten verlaufenden Richtung gepresst wird. Durch
diese Anordnung wird die Reibungskraft weiter erhöht.
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Die
eine hohe Steifigkeit aufweisende strukturelle Anordnung 230 (6),
die durch strukturelles Integrieren des eine Verschiebung verhindernden Elements 200a mit
den beiden Stiften 121a erzeugt wird, befindet sich in
Kontakt mit den Anschlägen 152, die auf der Endplatte 150a angeordnet
sind, und den Anschlägen 162, die auf der Endplatte 160a angeordnet
sind. Diese Anordnung weist zudem den Effekt auf, dass eine potenzielle
Verformung der Zellschichtstruktur 110a und eine potenzielle
Verschiebung einer beliebigen der Platten, die in der Zellschichtstruktur 110a beinhaltet
sind, verhindert wird.
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Wie
vorstehend erläutert, werden in der Struktur der zweiten
Ausführungsform die Stifte 121a verwendet, um
das Paar der Endplatten 150a und 160a, die entlang
der Zellschichtstruktur 110a in der Stapelrichtung angeordnet
sind, zu komprimieren. Die Stifte 21 sind strukturell mit
dem eine Verschiebung verhindernden Element 200a integriert.
Die strukturelle Integrität erhöht die Kräfte,
die zwischen der Zellschichtstruktur 110a und dem eine
Verschiebung verhindernden Element 200a in der Richtung senkrecht
zur Stapelrichtung ausgeübt werden. Die Stifte 121a dienen
zudem der Einschränkung einer potenziellen Verformung des
eine Verschiebung verhindernden Elements 200a. Dadurch
kann die Wanddicke des eine Verschiebung verhindernden Elements 200a verringert
werden.
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In
der Struktur der zweiten Ausführungsform werden die Bewegungen
der vier Stifte 121a in der von vorne nach hinten verlaufenden
Richtung und in der von oben nach unten verlaufenden Richtung durch
die acht Anschläge 152 bis 162 eingeschränkt. In
einem modifizierten Beispiel können die Anschläge
(nicht gezeigt) zum Einschränken der Bewegungen der Stifte 121a nur
in der von vorne nach hinten verlaufenden Richtung verwendet werden.
In diesem modifizierten Beispiel können die eine Verschiebung verhindernden
Elemente 200b als Gehäuse konstruiert werden,
die jeweils den oberen Bereich und den unteren Bereich der Zellschichtstruktur 110a bedecken,
wie in 8 gezeigt ist. In diesem Veranschaulichungsbeispiel
sind die eine Verschiebung verhindernden Elemente 200a strukturell
mit den Stiften 121a integriert.
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C. Weitere Aspekte
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Die
vorstehend erläuterten Ausführungsformen und deren
Anwendungen sind in all ihren Aspekten als veranschaulichend und
keineswegs als einschränkend aufzufassen. Es können
verschiedene Modifizierungen, Veränderungen und Änderungen vorgenommen
werden, ohne vom Schutzbereich der wesentlichen Eigenschaften der
vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zu den vorstehend erläuterten, verschiedenen
Komponenten, die in den Strukturen der Ausführungsformen
enthalten sind, handelt es sich bei all jenen Komponenten mit Ausnahme
der in den unabhängigen Ansprüchen offenbarten
Komponenten um zusätzliche Elemente, auf die vorschriftsmäßig
verzichtet werden kann. Einige Beispiele mögliche Modifizierungen
sind nachstehend angegeben.
- C-1. In den vorstehend
erläuterten Strukturen der ersten Ausführungsform
und der zweiten Ausführungsform weisen sowohl die eine
Verschiebung verhindernden Elemente 200 und 200a als
auch die Zellschichtstruktur 110 oder 110a die
konkav-konvexen Formen auf. Die konkav-konvexen Formen können
jedoch nur aus entweder den eine Verschiebung verhindernden Elementen 200 oder 200a oder
der Zellschichtstruktur 110 oder 110a gebildet
sein. Die Polyurethanschicht 210 kann beispielsweise mit
dem eine Verschiebung verhindernden Element 200 verbunden
sein, während die konkav-konvexen Formen nur auf der Fläche
der Zellschichtstruktur 110 oder umgekehrt ausgebildet
sein können. Die konkav-konvexen Formen können
darüber hinaus auf einer Fläche ausgebildet sein,
die mit der Polyurethanschicht verbunden ist. Die konkav-konvexen
Formen sollten nämlich in einer spezifischen Fläche ausgebildet
sein, die mit dem Zwischenmaterial auf zumindest entweder den eine
Verschiebung verhindernden Elementen 200a oder 200a oder der
Zellschichtstruktur 110 oder 110a in Kontakt ist.
- C-2. In den Strukturen der vorstehend erläuterten ersten
Ausführungsform und zweiten Ausführungsform sind
die Polyurethanschichten 210 oder 210a zwischen
der Zellschichtstruktur 110 oder 110a und dem
eine Verschiebung verhindernden Element 200 oder 200a über
der gesamten Fläche der mehreren Platten 10a bis 10u angeordnet.
Die Polyurethanschicht 210 oder 210a sollte zumindest
teilweise über der Fläche der bzw. dem Bereich
von mehreren Platten 10a bis 10u (z. B. über
einem Bereich von zwei oder mehr Platten von den mehreren Platten 10a bis 10u) angeordnet
sein.
- C-3. Jede der Strukturen entsprechend der vorstehend erläuterten
ersten Ausführungsform und zweiten Ausführungsform
kann darüber hinaus ein streifenförmiges Element
aufweisen, das so konzipiert ist, dass es ein geschlossenes Profil aufweist,
das den Umfang der Zellschichtstruktur 110 oder 110a und
des eine Verschiebung verhindernden Elements 200 oder 200a um
eine Achse in der Stapelrichtung bedeckt. Das streifenförmige Element
komprimiert das eine Verschiebung verhindernde Element 200 oder 200a in
einer zur Zellenschichtstruktur 110 oder 110a gegenüberliegenden
Richtung. In dieser modifizierten Struktur wird durch eine Zuglast,
die auf dem streifenförmigen Element entsteht, die Vorspannkraft
des eine Verschiebung verhindernden Elements effektiv erhöht.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen mit einigen
Modifizierungen, Veränderungen und Abänderungen
verkörpert werden, ohne vom Schutzbereich der Haupteigenschaften
der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung
ist daher durch die angehängten Ansprüche und
nicht durch die vorstehende Beschreibung wiedergegeben. Alle Veränderungen,
die sinngemäß in den Entsprechungsbereich der
Ansprüche fallen, gelten als vom Schutzbereich der Ansprüche
umfasst.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellenstapel und
mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Fahrzeug
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Ein
erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel weist
eine Zellschichtstruktur auf, die erhalten wird, indem mehrere Platten
mit zumindest entweder der Funktion einer Leistungserzeugungsanordnung oder
eines Separators aneinandergestapelt werden, und ein Paar von Endplatten,
die außerhalb und an beiden Enden der Zellschichtstruktur
in einer Stapelrichtung angeordnet sind. Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet
ferner ein eine Verschiebung verhinderndes Element, das sich entlang
der Stapelrichtung der Zellschichtstruktur erstreckt und an dem
Paar von Endplatten befestigt ist, und ein verformbares Zwischenmaterial,
das zwischen der Zellschichtstruktur und dem eine Verschiebung verhindernden
Element über einem Bereich von zwei oder mehr Platten von den
mehreren Platten angeordnet ist. Zumindest entweder die zwei oder
mehr Platten oder das eine Verschiebung verhindernde Element sind/ist
so konzipiert, dass sie/es eine konkav-konvexe Form aufweisen/aufweist,
die zumindest teilweise auf einer Fläche ausgebildet ist,
die sich in Kontakt mit dem Zwischenmaterial befindet. Durch eine
derart einfache Brennstoffzellenstapelstruktur wird der Widerstand gegen
eine Trägheitskraft, die in einer senkrecht zur Stapelrichtung,
auf gleicher Ebene verlaufenden Richtung wirkt, effektiv erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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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
-
- - JP 2006-108009
A [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - JIS B0601-1994 [0035]
- - JIS B0601-1994 [0035]