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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einem Stapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Brennstoffzellenstapeln mit einem Stapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wird grundsätzlich eine Last zum Befestigen durch ein Befestigungselement in Stapelrichtung der Einheitszellen aufgebracht, um den Stapelkörper zu befestigen, um einen Kontaktwiderstand zwischen Einheitszellen und in jeder Einheitszelle zu vermeiden, und um eine Leckage eines Fluids (Brenngas, Oxidationsgas und Wasser), das in dem Brennstoffzellenstapel fließt, zu vermeiden.
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Bei derartigen Brennstoffzellenstapeln können, wenn eine Aufprallkraft in eine Richtung senkrecht zu einer Stapelrichtung der Einheitszellen aufgebracht wird und die Zellen aufgrund der Aufprallkraft in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung verschoben werden, die Einheitszellen derart verschoben werden, dass eine Gasleckage verursacht wird. Insbesondere umfassen Beispiele für Fehlausrichtungen zwischen Einheitszellen, die eine Gasleckage verursachen können, eine Fehlausrichtung, bei der eine Dichtung verdreht wird, bricht oder herausfällt, sowie eine Fehlausrichtung, bei der ein Sammelrohr einer Einheitszelle an eine Stelle jenseits einer Sammelrohrdichtung einer angrenzenden Einheitszelle bewegt wird. Unter solchen Umständen wurden im Stand der Technik verschiedene Vorschläge gemacht, um die Fehlausrichtung in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Einheitszellen zu unterdrücken, d.h. um eine Mehrzahl von Einheitszellen extern zu beschränken.
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Beispielsweise offenbart die
JP 2009-070674 A eine Technologie zum Anordnen eines externen Beschränkungselements zur Vermeidung einer Fehlausrichtung einer Mehrzahl von Einheitszellen, die einen Stapelkörper bilden, in eine Richtung senkrecht zur Stapelrichtung. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Beschränkungselementen am Stapelkörper in einem Zustand angeordnet, in dem die externen Beschränkungselemente über die gesamte Stapelrichtung mit Flächen in Kontakt stehen, die parallel zur Stapelrichtung des Stapelkörpers sind.
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Ein Brennstoffzellenstapel mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Stapelkörper, der aus einer Mehrzahl von Einheitszellen besteht, die in eine Stapelrichtung gestapelt sind, ist Gegenstand der
WO 2005/008826 A1 -
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Mit der Erfindung zu lösendes Problem
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Bei der vorstehend genannten Technologie aus dem Stand der Technik ist die Mehrzahl von externen Beschränkungselementen relativ zum Stapelkörper angeordnet und in einem Zustand daran befestigt, in dem die externen Beschränkungselemente über die gesamte Stapelrichtung mit entsprechenden vier Flächen in Kontakt stehen, die parallel zur Stapelrichtung des Stapelkörpers sind. Jedes externe Beschränkungselement dient zum Verhindern der Fehlausrichtung auf der Fläche des Stapelkörpers, der es zugewandt ist. Selbst wenn eine Aufprallkraft in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Mehrzahl von Einheitszellen aufgebracht wird, ist es daher dennoch möglich, eine Fehlausrichtung in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Einheitszellen zu verhindern.
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Jedoch sind, um die Fehlausrichtung zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen zu vermeiden, indem externe Beschränkungselemente mit den jeweiligen vier Seiten, die parallel zur Stapelrichtung des Stapelkörpers sind, in Kontakt gebracht werden, oder den jeweiligen vier Seiten mit einem kleinen Spalt dazwischen zugewandt ausgebildet werden, zumindest vier externe Beschränkungselemente nötig, die den jeweiligen vier Seitenflächen entsprechen. Da die vier externen Beschränkungselemente dazu dienen, um die auf den Stapelkörper aufgebrachte Aufprallkraft aufzunehmen und die Fehlausrichtung der Einheitszellen zu vermeiden, wird die auf den Stapelkörper aufgebrachte Aufprallkraft direkt auf jedes der vier Beschränkungselemente übertragen. Um sämtliche Fehlausrichtungen in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung zu unterdrücken, müssen alle vier externen Beschränkungselemente eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um zumindest einer Aufprallkraft, die von außen einwirkt, zu widerstehen zu können. Da die externen Beschränkungselemente mit der Festigkeit, die der von außen wirkenden Aufprallkraft widerstehen kann, einen vergrößerten Querschnittsbereich benötigen, ist deren Querschnittkontur vergrößert, was zu einer Zunahme des Gewichts und der Größe des gesamten Stapels sowie zu einem Anstieg der Kosten führt. Obgleich das Erhöhen der Steifigkeit der externen Beschränkungselemente zur Vermeidung der Vergrößerung der Querschnittkonturen ein möglicher Weg sein könnte, würde dies bedeuten, dass das Material der externen Beschränkungselemente geändert werden müsste, so dass die Kosten folglich steigen würden.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte dieser Umstände gemacht und es ist Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, der eine Fehlausrichtung zwischen Einheitszellen, die eine Gasleckage verursacht, verhindern kann, während eine kostengünstige Konfiguration von geringer Größe und geringem Gewicht erzielt werden kann.
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Mittel zur Lösung des Problems
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Um das vorstehende Problem zu lösen weist ein Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung auf: einen Stapelkörper, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist; ein Gehäuse zum Aufnehmen des Stapelkörpers; und ein externes Beschränkungselement, das eine Fehlausrichtung zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen in eine zweite Richtung senkrecht zu einer ersten Richtung, in welche die Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, unterdrückt, wobei das externe Beschränkungselement umfasst: Eckbeschränkungselemente, die derart ausgebildet sind, dass sie vollständig über zumindest zwei Ecken des Stapelkörpers entlang der ersten Richtung verlaufen; und ein Rotationsunterdrückungselement, das derart ausgebildet ist, dass es einer Seitenfläche des Stapelkörpers zugewandt ist, wobei die Seitenfläche derart angeordnet ist, dass sie eine Richtung schneidet, in welche der Stapelkörper um die Eckbeschränkungselemente als Rotationsachse drehen könnte, wenn eine Aufprallkraft entlang der zweiten Richtung von außen auf den Stapelkörper aufgebracht wird. Erfindungsgemäß ist eine Steifigkeit des Rotationsunterdrückungselements niedriger ausgebildet ist als eine Steifigkeit der Eckbeschränkungselemente.
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Da erfindungsgemäß die Eckbeschränkungselemente derart ausgebildet sind, dass sie vollständig über die zwei Ecken entlang der ersten Richtung verlaufen, sind die Ecken mit den Eckbeschränkungselementen in die Richtung angeordnet, in welche eine Aufprallkraft von außen wirkt, und wenn die Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, dreht der Stapelkörper um die Eckbeschränkungselemente als Rotationsachse. Bei der vorliegenden Erfindung kann, indem das Rotationsunterdrückungselement derart ausgebildet ist, dass es einer Seitenfläche des Stapelkörpers zugewandt ist, die so angeordnet ist, dass sie die Richtung schneidet, in welche der Stapelkörper um die Eckbeschränkungselemente als Rotationsachse drehen könnte, durch zumindest zwei Eckbeschränkungselemente und das Rotationsunterdrückungselement eine durch die Fehlausrichtung zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen verursachte Gasleckage vermieden werden, d.h. es ist möglich, eine Fehlausrichtung zu vermeiden, die eine Gasleckage verursacht. Dementsprechend ist es nicht nötig, Eckbeschränkungselemente, die jeweils eine ausreichende Festigkeit haben, dass sie der von außen wirkenden Aufprallkraft widerstehen können, anzuordnen, um den Stapelkörper in alle möglichen Richtungen, in die sich der Stapelkörper bewegen könnte, zu beschränken bzw. einzuschränken, und es ist daher möglich, die Zahl der Eckbeschränkungselemente zu verringern.
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Wie vorstehend beschrieben ist, ist das Rotationsunterdrückungselement ein Element zum Unterdrücken der Rotation des Stapelkörpers um das Eckbeschränkungselement als Rotationsachse, und ist ein Element, das sich verformen kann, um eine Rotation des Stapelkörpers in einem Ausmaß zuzulassen, der keine Gasleckage in dem Stapelkörper erzeugt. Gemäß dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Aspekt ist es, durch das Ausbilden der Steifigkeit des Rotationsunterdrückungselements niedriger als die Steifigkeit der Eckbeschränkungselemente, möglich, das Gewicht und den Querschnittsbereich der Eckbeschränkungselemente zu verringern.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung wird das Rotationsunterdrückungselement, wenn der Stapelkörper dreht und mit dem Rotationsunterdrückungselement in Kontakt gelangt, vorzugsweise verformt, um eine Fehlausrichtung, die keine Gasleckage verursacht, zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen zuzulassen.
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Dadurch, dass sich das Rotationsunterdrückungselement verformen kann, wenn sich der Stapelkörper dreht und mit dem Rotationsunterdrückungselement in Kontakt gelangt, und durch das Ausgestalten einer derartigen zulässigen Deformation dergestalt, dass diese keine Gasleckage zwischen den Einheitszellen des Stapelkörpers verursacht, ist es möglich, die Gasleckage zu vermeiden, während das Gewicht und der Querschnittsbereich der Eckbeschränkungselemente verringert werden können.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung sind die Eckbeschränkungselemente vorzugsweise entlang beider Enden einer ersten Seitenfläche entlang der ersten Richtung des Stapelkörpers ausgebildet; und das Rotationsunterdrückungselement ist vorzugsweise entlang einer zweiten Seitenfläche des Stapelkörpers ausgebildet, die der ersten Seitenfläche gegenüber liegt.
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Bei dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Aspekt dreht sich, da die Eckbeschränkungselemente entlang beider Enden der ersten Seitenfläche angeordnet sind, wenn eine Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, der Stapelkörper um eine der Seiten der ersten Seitenfläche, die mit den Eckbeschränkungselementen ausgebildet ist, als Rotationachse. Durch das Ausbilden des Rotationsunterdrückungselements entlang der zweiten Seitenfläche, die der ersten Seitenfläche gegenüberliegt, ist es möglich, die Rotation des Stapelkörpers sicher zu unterbinden.
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Bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung weist das Rotationsunterdrückungselement vorzugsweise ein Rotationsunterdrückungselement, oder zwei oder mehr Rotationsunterdrückungselemente auf, das/die derart ausgebildet ist/sind, dass es/sie flach bzw. gleichmäßig einer Mittellinie entlang der ersten Richtung der zweiten Seitenfläche zugewandt ist/sind.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Aspekt kann, da das Rotationsunterdrückungselement so ausgebildet ist, dass es gleichmäßig der Mittellinie der zweiten Seitenfläche zugewandt ist, selbst wenn sich der Stapelkörper um eines der Eckbeschränkungselemente dreht, die Rotation des Stapelkörpers zuverlässig unterdrückt werden.
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Vorzugsweise ist bei dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung nur ein Rotationsunterdrückungselement im Wesentlichen entlang der Mittellinie ausgebildet.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Aspekt ist es, da das Rotationsunterdrückungselement im Wesentlichen entlang der Mittellinie ausgebildet ist, selbst wenn nur ein Rotationsunterdrückungselement vorgesehen ist, möglich, das Rotationsunterdrückungselement derart anzuordnen, das es der Mittellinie der zweiten Seitenfläche flach bzw. gleichmäßig zugewandt ist, so dass es dementsprechend möglich ist, die Rotation des Stapelkörpers um eines der Eckbeschränkungselemente zuverlässig zu unterdrücken.
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EFFEKTE DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Brennstoffzellenstapel, der eine Fehlausrichtung zwischen Einheitszellen, die eine Gasleckage verursacht, verhindern kann, während eine kostengünstige Konfiguration von geringer Größe und geringem Gewicht erzielt werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Schnittansicht, die einen Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 2 zeigt eine Schnittansicht, die eine Abwandlung des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels zeigt;
- 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts A aus den 1 und 2; und
- 4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung, wie der Stapelkörper in 1 gehalten wird.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Zur Erleichterung des Verständnisses der nachfolgenden Erläuterungen werden gleiche Komponenten in den Darstellungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet wann immer möglich, wobei auf eine redundante Erklärung verzichtet wird.
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1 ist eine Schnittdarstellung, die den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 1 zeigt einen Querschnitt entlang einer Einheitszelle 20, die eine flache plattenförmige Gestalt hat, im Wesentlichen in der Nähe der Mitte des Brennstoffzellenstapels 10 der eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt in Form eines Parallelepipeds hat. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen 20, ein Gehäuse 3 sowie eine Spannungsüberwachungseinheit 40. Es sei angemerkt, dass in 1 Achsen, die in eine Ebene entlang der Papierfläche der Zeichnung rechtwinklig zueinander sind, als x- und y-Achsen definiert sind, und eine Achse entlang der Richtung senkrecht zur Papierfläche als z-Achse definiert ist. Die nachfolgende Beschreibung verweist bei Bedarf auf die x-Achse (eine x-Achsenrichtung, eine zweite Richtung), die y-Achse (eine y-Achsenrichtung) und die z-Achse (eine z-Achsenrichtung, eine erste Richtung).
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Die Einheitszelle 20 ist derart ausgestaltet, dass eine Membranelektrodenanordnung, die durch Verbinden einer Anode und einer Kathode mit entsprechenden Seiten einer Elektrolytmembran, die eine Protonenleitfähigkeit aufweist, sandwichartig von Separatoren umfasst ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Solid-Polymer-Membran als Elektrolytmembran verwendet. Andere Elektrolyte wie Solid-Oxid-Elektrolyte können auch als Elektrolyt verwendet werden. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Membranelektrodenanordnungen, die im Brennstoffzellenstapel 10 gestapelt sind, in geeigneter Weise abhängig von der vom Brennstoffzellenstapel 10 benötigten Ausgabeleistung eingestellt werden kann. Die Mehrzahl von Einheitszellen 20 ist entlang der z-Achsenrichtung gestapelt und bildet einen Stapelkörper 2. Dementsprechend dient die z-Achsenrichtung auch als Stapelrichtung (erste Richtung) der Mehrzahl von Einheitszellen 20.
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Das Gehäuse 3 umfasst einen vertieften Abschnitt bzw. eine Ausnehmung 30 sowie eine Platte 31. Das Gehäuse 3 ist derart ausgestaltet, dass eine Öffnung des vertieften Abschnitts durch die Platte 31 verschlossen wird. Das Gehäuse 3 ist ein Behälter zum Aufnehmen des Stapelkörpers 2, in welchem die Mehrzahl von Einheitszellen 20 gestapelt ist, der Spannungsüberwachungseinheit 40 sowie anderer (nicht explizit dargestellter) Hilfsvorrichtungen. Das Gehäuse 3 hat eine erste Fläche 301 (eine Fläche, die durch eine Bodenfläche des vertieften Abschnitts 30 definiert ist) entlang einer Längsseite einer jeden Einheitszelle 20 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt sowie eine zweite Fläche 302 (eine Fläche, die durch die Platte 31 definiert ist), die der ersten Fläche 301 gegenüberliegt.
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Ein Eckbeschränkungselement 303 ist an einer Seite entlang der z-Achsenrichtung der ersten Fläche 301 ausgebildet, und ein Eckbeschränkungselement 304 ist an der anderen Seite entlang der z-Achsenrichtung der ersten Fläche 301 ausgebildet. Das Eckbeschränkungselement 303 ist integral mit dem vertieften Abschnitt 30 als stabförmiger Abschnitt ausgebildet, der einen im Wesentlichen viereckigen Querschnitt hat. Das Eckbeschränkungselement 304 ist integral mit dem vertieften Abschnitt 30 als stabförmiger Abschnitt ausgebildet, der einen im Wesentlichen viereckigen Querschnitt hat. Das Eckbeschränkungselement 303 und das Eckbeschränkungselement 304 haben eine Steifigkeit, die einer Aufprallkraft widerstehen kann, die von außen aufgebracht wird. Die Steifigkeit bzw. Festigkeit, die der von außen aufzubringenden Aufprallkraft widerstehen kann, bezeichnet eine Steifigkeit, die hoch genug ist, um zu vermeiden, dass das Eckbeschränkungselement 303 verformt wird, selbst wenn eine in die Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Einheitszellen 20 aufgebrachte Aufprallkraft die Bewegung des Stapelkörpers 2 im Gehäuse 3 oder die Fehlausrichtung der Einheitszellen 20 verursacht, und damit wiederum verursacht, dass der Stapelkörper 2 direkt mit dem Eckbeschränkungselement 303 kollidiert. Die hier genannte direkte Kollision bezeichnet einen Zustand, bei dem, wenn eine Aufprallkraft aufgebracht wird, der Stapelkörper 2 zunächst mit dem relevanten Element (d.h. dem Eckbeschränkungselement 303 in der vorliegenden Ausführungsform) kollidiert.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Rotationsunterdrückungselement 305 als Zugstab ausgebildet, der gegenüberliegende Wände des Gehäuses 3 verbindet, um die Mehrzahl von Einheitszellen 20 von beiden Enden in Stapelrichtung des Stapelkörpers 2 zusammen zu drücken. Das Rotationsunterdrückungselement 305, das als Zugstab dient, hat eine Festigkeit, die zulässt, dass es sich biegen kann, wenn es eine direkte Aufprallkraft erfährt, aber dennoch die gegenüberliegenden Wände des Gehäuses 3 verbinden kann. Insbesondere ist die Steifigkeit des Rotationsunterdrückungselements 305 derart, dass sich das Rotationsunterdrückungselement 305 verformt, wenn der Stapelkörper 2 aufgrund der Bewegung des Stapelkörpers 2 im Gehäuse 3 oder der Fehlausrichtung der Einheitszellen 20 aufgrund der Aufprallkraft, die in Richtung senkrecht zur Stapelrichtung der Einheitszellen 20 aufgebracht wird, direkt gegen dieses stößt. Bezüglich der Funktion des Rotationsunterdrückungselements 305 braucht das Rotationsunterdrückungselement 305 nicht so steif sein, dass es sich nicht verformt, selbst wenn der Stapelkörper 2 direkt mit diesem kollidiert. Jedoch muss das Rotationsunterdrückungselement 305 steif genug sein, um eine Verformung zu vermeiden, wenn der Stapelkörper 2 bei einer zweiten Gelegenheit unmittelbar nach der direkten Kollision mit dem Eckbeschränkungselement 303 dagegen stößt.
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4 ist eine Darstellung, die anzeigt, wie der Stapelkörper 2 durch das Gehäuse 3 gehalten wird. Wie in 4 gezeigt ist, wird der Stapelkörper 2 durch ein Paar Wände 3a und 3b des Gehäuses 3 zusammengedrückt und dadurch gehalten. Die Wände 3a und 3b sind durch das Rotationsunterdrückungselement 305, das als Zugstab dient, verbunden. Da der Stapelkörper 2 durch die Wände 3a und 3b gedrückt und dadurch gehalten wird, schwebt er ohne irgendetwas anderes als die Wände 3a und 3b zu berühren. Auf diese Weise kann, da der Stapelkörper 2 zusammengedrückt und gehalten wird, obwohl er in diesem Schwebezustand nur mit den Wänden 3a und 3b in Kontakt steht, eine Fehlausrichtung zwischen den Einheitszellen 20 unterdrückt werden, so dass während des normalen Gebrauchs kein Risiko einer Gasleckage besteht.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 ist der Brennstoffzellenstapel 10 der vorliegenden Ausführungsform in einem Fahrzeug angeordnet, so dass die linke Seite der Zeichnung in einem Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet ist, während die rechte Seite der Zeichnung einem Heckbereich des Fahrzeugs entspricht, wie in 1 gezeigt. Wenn das Fahrzeug mit dem Brennstoffzellenstapel 10 mit seinem Frontbereich gegen irgendetwas fährt, wird die resultierende Aufprallkraft von der rechten Seite zur linken Seite übertragen, wodurch der Stapelkörper 2 des Brennstoffzellenstapels 10 gegen das Eckbeschränkungselement 303 stößt, im Uhrzeigersinn eine Richtung P um das Eckbeschränkungselement 303 dreht, und dann gegen das Rotationsunterdrückungselement 305 stößt. Genauer gesagt stößt, wenn das Fahrzeug mit seinem Frontbereich gegen irgendetwas fährt, eine obere linke Ecke des in 1 gezeigten Stapelkörpers 2 gegen das Eckbeschränkungselement 303. Nach dieser Kollision wird, obgleich sich der Stapelkörper 2 aufgrund der Aufprallkraft weiterhin in Richtung zur linken Seite von 1 bewegt, die Bewegung der oberen linken Ecke durch das Eckbeschränkungselement 303 beschränkt und der Stapelkörper 2 wird dann nur in Richtung zur unteren linken Seite in 1 bewegt, was eine Rotationskraft erzeugt, die den Stapelkörper 2 im Uhrzeigersinn in Richtung P dreht. Wenn andererseits das Fahrzeug mit dem Brennstoffzellenstapel 10 mit seinem Heckbereich gegen irgendetwas fährt, wird die resultierende Aufprallkraft von der linken Seite zur rechten Seite übertragen, wodurch der Stapelkörper 2 des Brennstoffzellenstapels 10 gegen das Eckbeschränkungselement 304 stößt, gegen den Uhrzeigersinn (in die Richtung entgegengesetzt zur Richtung P) um das Eckbeschränkungselement 304 dreht, und dann gegen das Rotationsunterdrückungselement 305 stößt. Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, bei welchem das Fahrzeug mit seinem Frontbereich gegen etwas fährt und der Stapelkörper 2 in Richtung P dreht.
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Das Eckbeschränkungselement 303 und das Eckbeschränkungselement 304 sind derart angeordnet, dass sie entlang entsprechend gegenüberliegender Seiten der ersten Fläche 301 verlaufen. Dementsprechend ist eine Seitenfläche 202 eine Fläche, die der zweiten Fläche 302 zugewandt ist, die sich von der ersten Fläche 301, an der das Eckbeschränkungselement 303 und das Eckbeschränkungselement 304 angeordnet sind, unterscheidet.
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Die Funktionen der Eckbeschränkungselemente 303, 304 und des Rotationsunterdrückungselements 305 zum Beschränken bzw. Einschränken der Mehrzahl von Einheitszellen 20, wenn eine Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, dienen zum Unterdrücken der Verformung des Stapelkörpers 2 und zur Vermeidung einer Gasleckage zwischen den Einheitszellen 20. Insbesondere bewegt sich, wenn eine Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, der schwebende Stapelkörper 2 im Schwebezustand und kommt mit dem Eckbeschränkungselement 303 oder dem Eckbeschränkungselement 304 in Kontakt. Dieser Kontakt bewirkt, dass der Stapelkörper 2 um das Eckbeschränkungselement 303 oder das Eckbeschränkungselement 304 als Rotationsachse dreht und gegen das Rotationsunterdrückungselement 305 stößt. Wie vorstehend Bezug nehmend auf 4 beschrieben wurde, wird der Stapelkörper 2 durch eine Druckkraft, die durch die Wände 3a und 3b aufgebracht wird, gehalten, wobei die beiden Enden desselben mit den Wänden 3a und 3b in Kontakt stehen und nur schwer in Drehung versetzt werden, während der Mittelteil, der von den Zellen 3a und 3b entfernt ist, leicht in Drehung versetzt wird. Dementsprechend bewegen sich die Einheitszellen 20 in der Nähe der Mitte des Stapelkörpers 2 deutlich (in der Nähe des im Wesentlichen mittleren Teils zwischen den Wänden 3a und 3b) wie in 4 gezeigt ist, während die Einheitszellen 20 (die mit den Wänden 3a oder 3b in Kontakt stehen) sich nur wenig in der Nähe der Enden des Stapelkörpers 2 bewegen. Der Stapelkörper 2 wird, wenn als Ganzes betrachtet, verwunden während seine beiden Enden durch die Wände 3a und 3b gehalten werden und der Mittelteil deutlich verschoben wird. Wenn ein derart verwundener Zustand nicht auf irgendeine Weise beschränkt wird, führt die Fehlausrichtung zwischen den Einheitszellen 20, die den Stapelkörper 2 bilden, zu einer deutlichen Verformung, die eine Gasleckage verursacht. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch bietet das Rotationsunterdrückungselement 305 eine Beschränkung, um dadurch die Fehlausrichtung zwischen den Einheitszellen 20, welche die Gasleckage verursacht, zu unterdrücken.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist das Rotationsunterdrückungselement 305 derart entlang einer Mittellinie der Seitenfläche 202 (einer Linie, die sich in z-Achsenrichtung in 1 erstreckt und durch die Mitte der Seitenfläche 202 geht) angeordnet, dass es der Seitenfläche 202 bezüglich der Mittellinie der Seitenfläche 202 flach bzw. gleichmäßig zugewandt ist. Es sei angemerkt, dass 2 eine bevorzugte Abwandlung zeigt, in welcher ein Brennstoffzellenstapel 10a mit zwei Rotationsunterdrückungselementen 305 ausgebildet ist. In der in 2 gezeigten Abwandlung ist ein Paar Rotationsunterdrückungselemente 305 derart entlang der Mittellinie der Seitenfläche 202 (einer Linie, die sich entlang der z-Achsenrichtung in 1 erstreckt und durch die Mitte der Seitenfläche 202 geht) angeordnet, dass sie der Seitenfläche 202 bezüglich der Mittellinie der Seitenfläche 202 gleichmäßig zugewandt sind.
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Jede der Mehrzahl von Einheitszellen 20 hat stoßabsorbierende Gummielemente 203, 204, 205, 206 und 207. Das Gummielement 203 ist an einer Ecke angeordnet, die dem Eckbeschränkungselement 303 zugewandt ist, und das Gummielement 204 ist an einer Ecke angeordnet, die dem Eckbeschränkungselement 304 zugewandt ist. Das Gummielement 205 ist an einer Stelle angeordnet, die dem Rotationsunterdrückungselement 305 zugewandt ist. Die Gummielemente 206 und 207 sind in der Nähe von Ecken angeordnet, die nicht mit den Gummielementen 203 und 204 ausgestaltet sind.
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3 ist eine Darstellung, die einen Abschnitt A der 1 und 2 in vergrößerter Weise zeigt. Wie in 3 gezeigt ist, ist ein stoßabsorbierendes Loch 201a an einem Ende in der Nähe des Gummielements 203 in der Seitenfläche 201 ausgebildet. Durch Ausbilden eines derartigen Lochs 201a wird, selbst wenn eine große Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, die Einheitszelle 20 entlang polygonaler Linien 201b und 201c verformt, wodurch es möglich ist, die Verformung zu steuern ohne die Dichtlinie 208 zu beeinträchtigen. Ein derartiges stoßabsorbierendes Loch 201a ist vorzugsweise in Abschnitten der Einheitszellen 20 ausgestaltet, die den Eckbeschränkungselementen 303 und 304 sowie dem Rotationsunterdrückungselement 305 zugewandt sind. Insbesondere ist bevorzugt, ein derartiges stoßabsorbierendes Loch 201a in Abschnitten der Einheitszellen 20 auszubilden, die den Eckbeschränkungselementen 303, 304 zugewandt sind, da diese Einheitszellen 20 stark mit den Eckbeschränkungselementen 303, 304 in Wechselwirkung treten.
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Wie vorstehend beschrieben ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform: den Stapelkörper 2, in dem eine Mehrzahl von Einheitszellen 20 gestapelt ist; sowie externe Beschränkungselemente, die eine Fehlausrichtung zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen 20 in eine zweite Richtung (die y-Achsenrichtung) senkrecht zu einer ersten Richtung (der z-Achsenrichtung), in der die Mehrzahl von Einheitszellen 20 gestapelt ist, unterdrückt. Die externen Beschränkungselemente umfassen: die Eckbeschränkungselemente 303, 304, die derart angeordnet sind, dass sie vollständig über zumindest zwei Ecken des Stapelkörpers 2 entlang der ersten Richtung verlaufen; und das Rotationsunterdrückungselement 305, das derart angeordnet ist, dass es der Seitenfläche 202 zugewandt ist, die eine Seitenfläche des Stapelkörpers 2 darstellt, die so angeordnet ist, dass sie eine Richtung schneidet, in welche der Stapelkörper 2 um die Eckbeschränkungselemente 303, 304 als Rotationsachse drehen könnte, wenn eine Aufprallkraft in die zweite Richtung (die y-Achsenrichtung) von außen auf den Stapelkörper 2 aufgebracht wird.
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Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Eckbeschränkungselemente 303, 304 derart angeordnet sind, dass sie dem Stapelkörper 2 zugewandt sind und sich vollständig über die beiden Ecken des Stapelkörpers 2 entlang der ersten Richtung (z-Achsenrichtung) erstrecken, können die mit den Eckbeschränkungselementen 303, 304 versehenen Ecken in die Richtung angeordnet werden, in welche eine Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, und es wird davon ausgegangen, dass, wenn eine derartige Aufprallkraft von außen aufgebracht wird, der Stapelkörper 2 um das Eckbeschränkungselement 303, 304 als Rotationsachse dreht. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Rotationsunterdrückungselement 305 derart angeordnet, dass es der Seitenfläche 202 zugewandt ist, die eine Seitenfläche des Stapelkörpers 2 darstellt, die so angeordnet ist, dass sie die Richtung, in welche der Stapelkörper 2 um das Eckbeschränkungselement 303, 304 als Rotationsachse drehen könnte, schneidet, so dass die Fehlausrichtung zwischen der Mehrzahl von Einheitszellen 20 aufgrund der zumindest zwei Eckbeschränkungselemente 303, 304 und des Rotationsunterdrückungselements 305 unterdrückt werden kann. Zudem kann, da es ausreicht, dass das Rotationsunterdrückungselement 305 derart ausgestaltet ist, dass es nur der Rotationskraft widersteht, die nach wie vor verbleibt, nachdem die Eckbeschränkungselemente 303, 304 einen Teil der Aufprallkraft aufgenommen haben, das Rotationsunterdrückungselement 305 mit einer niedrigeren Steifigkeit als die der Eckbeschränkungselemente 303, 304 ausgebildet werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind die Eckbeschränkungselemente 303, 304 integral mit dem Gehäuse 3 als Kantenabschnitte ausgebildet, die eine hohe Steifigkeit aufweisen. Die Eckbeschränkungselemente 303, 304 sind an Stellen angeordnet, die beiden Enden einer Längsseite der Einheitszelle 2 entsprechen, wie in 1 dargestellt. Mit einer derartigen Anordnung bewegt sich, wenn das mit dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestaltete Fahrzeug gegen etwas stößt und eine sehr große Aufprallkraft erzeugt wird, der Stapelkörper 2, kollidiert mit dem Eckbeschränkungselement 303, 304 und dreht dann (d.h. ein Teil des Stapelkörpers 2 erfährt eine Verbiegung), um mit dem Rotationsunterdrückungselement 305 in Kontakt zu gelangen, wodurch er durch das Rotationsunterdrückungselement 305 eingeschränkt wird. Folglich ist es möglich, eine Gasleckage zu vermeiden, die andernfalls durch die Fehlausrichtung zwischen den Einheitszellen verursacht werden würde.
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In der vorliegenden Ausführungsform haben Abschnitte der Eckbeschränkungselemente 303, 304 und Abschnitte der Einheitszellen 20, die einander zugewandt sind, Formen, die derart bestimmt sind, um einen flächigen Kontakt zwischen diesen auszubilden. Derartige Formen können einen nachteiligen Effekt minimieren, der andernfalls auf den Stapelkörper 2 wirken könnte, wenn der Stapelkörper 2 verbogen wird und mit dem Eckbeschränkungselement 303, 304 und dem Rotationsunterdrückungselement 305 in Kontakt gelangt, um durch diese beschränkt zu werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist das Rotationsunterdrückungselement 305 derart ausgestaltet, dass es einen kreisförmigen Querschnitt hat. Ein derartiger kreisförmiger Querschnitt kann einen Kontakt mit scharfen Kanten vermeiden. Zudem können, durch Ausbilden einer jeden der Mehrzahl von Einheitszellen 20 mit den stoßabsorbierenden Gummielementen 203, 204, 205, 206 und 207 die Einheitszellen 20 an einer Verformung gehindert werden.
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Da bei der vorliegenden Ausführungsform die Eckbeschränkungselemente 303, 304 an den Ecken angeordnet sind, kann ein großer Bereich der Einheitszelle 20 als Stromerzeugungsfläche genutzt werden. Da im Stand der Technik diagonal eingekerbte Abschnitte in Seitenflächen ausgebildet sind und ein Element in jedem der eingekerbten Abschnitte (insgesamt zwei Elemente) angeordnet ist, wird der Bereich der Leistungserzeugungsfläche aufgrund der eingekerbten Abschnitte verringert. Selbst wenn die Ecken mit den beiden Elementen ausgestaltet sind, die jeweils selbst die gesamte Aufprallkraft aufnehmen können, müssen die Elemente eine erhöhte Festigkeit haben, was zu einem Anstieg des Volumens, der Kosten und des Gewichts des gesamten Brennstoffzellenstapels führt. Durch Ausbilden der Eckbeschränkungselemente 303, 304 an den Ecken, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ist es dagegen möglich, einen großen Bereich in der Einheitszelle 20 als Stromerzeugungsfläche zu verwenden und zusätzlich die Ursachen für eine Zunahme des Volumens, der Kosten und des Gewichts zu beseitigen.
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Bezugszeichenliste
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- 2:
- Stapelkörper
- 3:
- Gehäuse
- 10:
- Brennstoffzellenstapel
- 20:
- Einheitszelle
- 30:
- vertiefter Abschnitt
- 31:
- Platte
- 40:
- Spannungsüberwachungseinheit
- 201:
- Seitenfläche
- 201a:
- Loch
- 201b, 201c:
- polygonale Linie
- 202:
- Seitenfläche
- 203, 204, 205, 206, 207:
- Gummielement
- 208:
- Dichtlinie
- 301:
- erste Fläche
- 302:
- zweite Fläche
- 303,304:
- Eckbeschränkungselemente
- 305:
- Rotationsunterdrückungselement
