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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen aus einer Vielzahl von gestapelten
Einheitszellen gebildeten Brennstoffzellenstapel, und genauer auf
eine Technologie, die es vorteilhafterweise ermöglicht, den Brennstoffzellenstapel
einfacher bei extrem niedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt
zu starten.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Eine
Brennstoffzelle wird in einer geschichteten Konstruktion gebildet,
in der eine Elektrolytmembran wie zum Beispiel eine Festpolymermembran zwischen
jeweiligen Elektroden eingebettet wird und Separatoren an jeder
Seite der Elektrolytmembran bereitgestellt werden. Normalerweise
wird eine Vielzahl von einzelnen Einheitszellen mit der obigen Konstruktion
gestapelt und als Brennstoffzellenstapel genutzt. Solch ein Brennstoffzellenstapel,
wie zum Beispiel in der
japanischen
Patentpublikation Nr. 06-060904 und
07-282835 offenbart, enthält jeweilige
Stromabnehmerbleche, die an jedem Ende der Einheitszellen in ihrer
Stapelrichtung bereitgestellt werden. Der von jeder Zelle erzeugte
Strom wird von dem jeweiligen Ausgangsanschluss, der mit den Stromabnehmerblechen
verbunden ist, entnommen.
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Jedoch
kann in dem Fall, dass ein Fahrzeugbrennstoffzellenstapel in einem
elektrischen Auto oder ähnlichem
verwendet wird, die Temperatur der Einheitszellen in einigen Benutzungsumgebungen potentiell
unter den Gefrierpunkt fallen, zum Beispiel in kalten Regionen.
An der Kathode jeder Einheitszelle findet eine chemische Reaktion
statt, in der Wasser aus Wasserstoffionen, die durch die durch die
Elektrolytmembran passieren und Sauerstoff im Oxydationsgas gebildet
wird. Wenn jedoch der Brennstoffzellenstapel unterhalb des Gefrierpunkts
gestartet wird, gefriert das erzeugte Wasser und wird zu Eis, was
die Versorgung mit Sauerstoff an der Kathode behindert. Als ein
Ergebnis gibt es eine Reduzierung in der Spannung der Einheitszellen.
Jedoch wird in der oben beschriebenen chemischen Reaktion gleichzeitig
mit dem Wasser Reaktionswärme
erzeugt. Wenn entsprechend die Temperatur der Einheitszellen durch
die Reaktionswärme über den
Gefrierpunkt erhöht
wird, schmilzt das Eis und die Versorgung mit Sauerstoff an der
Kathode wird wieder hergestellt.
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Jedoch
wird den Endeinheitszellen, die an den äußeren Seiten des Brennstoffzellenstapels
liegen, eine substantielle Wärmemenge
durch die jeweiligen Stromabnehmerbleche entzogen, die eine große Wärmekapazität und hohe
thermische Leitfähigkeit
haben. Entsprechend ist der Temperaturanstieg dieser Endeinheitszellen
langsam, verglichen mit den anderen Einheitszellen. Als ein Ergebnis
ist es möglich,
dass die Endeinheitszellen aufgrund des verzögerten Schmelzens des Eises
ungenügend Sauerstoff
erhalten, selbst wenn die anderen Einheitszellen in dem Brennstoffzellenstapel
normal Elektrizität
erzeugen, was wiederum verursachen kann, dass die Spannung der Endeinheitszellen
reduziert wird. Es ist möglich,
dass diese reduzierte Spannung der Endeinheitszellen verursacht,
dass die Gesamtausgabe des Brennstoffzellenstapels ebenfalls reduziert
wird. Wenn eine unnormale chemische Reaktion in den Endeinheitszellen
in diesem Zustand auftritt, ist es weiterhin möglich, dass (a) das strukturelle
Material der Endeinheitszellen von dem Brennstoffzellenstapel ermüdet wird,
oder (b) dass eine Zerstörung
der Endeinheitszellen stattfinden kann.
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Verschiedene
Verfahren, um schnell die Temperatur der Endeinheitszellen zu erhöhen, wenn der
Brennstoffzellenstapel bei tiefer Temperatur gestartet wird, können vorgeschlagen
werden, wie zum Beispiel ein Reduzieren der Plattendicke der Stromabnehmerbleche,
um so ihre Wärmekapazität zu reduzieren
und Wärmeabstrahlung
von den Endeinheitszellen zu verhindern. Jedoch ist ein einfaches Reduzieren
der Blechdicke der Stromabnehmerbleche auf diese Weise verantwortlich
dafür,
einen Anstieg im elektrischen Widerstand zu verursachen, wenn Strom
entnommen wird, was wiederum verursachen kann, dass die Batterieleistung
durch einen substantiellen Anstieg im Leistungsverlust beeinträchtigt wird.
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Die
Erfindung wurde im Licht der vorher beschriebenen Probleme konzipiert
und zielt darauf ab, eine Lösung
dazu bereitzustellen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel
bereitzustellen, der es ermöglicht,
die Temperatur seiner Endeinheitszellen schnell zu erhöhen, wenn
der Brennstoffzellenstapel bei niedriger Temperatur gestartet wird,
ohne einen schädlichen
Einfluss auf die Batterieleistung während eines normalen Betriebs
zu haben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
stellt ein erster Aspekt der Erfindung einen Brennstoffzellenstapel
bereit, der aus einer Vielzahl von gestapelten Einheitszellen gebildet
wird und der ein Stromabnehmerblech enthält, das in Stapelrichtung an
einem Ende der gestapelten Einheitszellen angebracht ist, und einen
Ausgangsstromanschluss zur Stromentnahme, der mit dem Stromabnehmerblech
verbunden ist. Dieser Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Stromabnehmerblech so gemacht ist, dass eine Wärmekapazität pro Einheitsfläche davon
verschieden ist für
eine Nachbarregion, die nahe an einem Anteil ist, an dem der Ausgangsanschluss
verbunden ist, verglichen mit anderen Regionen. Genauer ist die
Wärmekapazität pro Einheitsfläche der
anderen Regionen kleiner als die Wärmekapazität pro Einheitsfläche der
benachbarten Region.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird der erste Aspekt weiter dadurch
gekennzeichnet, dass das Stromabnehmerblech so gemacht wird, dass
ein Volumen pro Einheitsfläche
davon verschieden für
eine Nachbarregion ist, die nahe an einem Anteil ist, an dem der
Ausgabeanschluss verbunden ist, verglichen mit anderen Regionen.
Genauer ist das Volumen pro Einheitsfläche der anderen Regionen kleiner
als das Volumen pro Einheitsfläche
der benachbarten Region.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird der zweite Aspekt weiter dadurch
charakterisiert, dass das Stromabnehmerblech in den anderen Regionen
weniger dick ist als in der benachbarten Region.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung wird der zweite Aspekt ferner dadurch
gekennzeichnet, dass das Stromabnehmerblech mit einer Vielzahl von
in Dickenrichtung des Stromabnehmerbleches gebildeten Löchern bereitgestellt
wird. Die Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
in den anderen Regionen ist größer als
die Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
der benachbarten Region.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der Erfindung wird der vierte Aspekt der Erfindung ferner
dadurch charakterisiert, dass der Durchmesser der Löcher in den
anderen Regionen größer ist
als der Durchmesser der Löcher
in der benachbarten Region.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der Erfindung wird der vierte Aspekt der Erfindung
ferner dadurch charakterisiert, dass die Zahl der Löcher pro Einheitsfläche der
anderen Regionen größer ist
als die Zahl der Löcher
pro Einheitsfläche
der benachbarten Region.
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Gemäß einem
siebten Aspekt der Erfindung enthält der zweite Aspekt der Erfindung
ferner eine Endeinheitszelle mit einem Separator, in dem Gasdurchlässe geformt
sind, wobei der Separator ganzheitlich mit dem Stromabnehmerblech
gebildet ist. In dem siebten Aspekt sind die Tiefe und die Breite
der Gasdurchlässe
des Separators in den anderen Regionen so gebildet, dass sie größer sind
als die der Gasdurchlässe
in der benachbarten Region.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung wird die Wärmekapazität des gesamten
Stromabnehmerblechs reduziert durch Bereitstellen von Regionen in
dem Stromabnehmerblech, die eine kleine Wärmekapazität pro Einheitsfläche haben.
Als ein Ergebnis wird eine Abstrahlung von Wärme von der Endeinheitszelle
an das Stromabnehmerblech verhindert, was ermöglicht, dass die Temperatur
der Endeinheitszelle schneller erhöht wird, wenn der Brennstoffzellenstapel
bei niedriger Temperatur gestartet wird.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung wird die Wärmekapazität des gesamten
Stromabnehmerbleches reduziert durch Bereitstellen von Regionen
in dem Stromabnehmerblech, die ein kleines Volumen pro Einheitsfläche haben.
Als ein Ergebnis wird Abstrahlung von Wärme von der Endeinheitszelle
zu dem Stromabnehmerblech verhindert, was ermöglicht, dass die Temperatur
der Endeinheitszelle schneller erhöht wird, wenn der Brennstoffzellenstapel
bei niedriger Temperatur gestartet wird. Des Weiteren ist die Stromdichte
in der Nachbarregion hoch, das heißt nahe an dem Anteil, an dem
der Ausgangsanschluss verbunden ist, während die Stromdichte in den
anderen Regionen niedrig ist. Entsprechend kann das Volumen pro
Einheitsfläche
der anderen Regionen kleiner gemacht werden, ohne irgendeinen signifikanten
Anstieg in einem Leistungsverlust zu verursachen. Als ein Ergebnis
gibt es keinen schädlichen
Einfluss auf eine Batterieleistung während eines normalen Betriebs.
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Man
bemerke, dass eine Struktur, in der das Volumen pro Einheitsfläche der
anderen Regionen kleiner ist als das Volumen pro Einheitsfläche der Nachbarregion,
einfach unter Verwendung von Konfigurationen, in denen zum Beispiel
(1) das Blech weniger dick gemacht wird (wie in dem dritten Aspekt), oder
(2) die Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
größer gemacht
wird (wie in dem vierten Aspekt) realisiert werden kann. Ferner
kann die Fläche
der Löcher pro
Einheitsfläche
unter Verwendung verschiedener anderer Verfahren vergrößert werden,
wie zum Beispiel ein Erhöhen
der Anzahl der Löcher
pro Einheitsfläche
(wie in dem sechsten Aspekt) oder Erhöhen der Größe eines jeden Lochs (wie in
dem fünften
Aspekt).
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Wenn
der Separator der Endeinheitszelle ganzheitlich mit dem Stromabnehmerblech
geformt wird (wie in dem siebten Aspekt), kann zusätzlich die Breite
oder Tiefe der Gasdurchlässe
der anderen Regionen des Separators so gebildet werden, dass sie größer sind
als die der Gasdurchlässe
in der Nachbarregion des Separators. Weiterhin ist es möglich, auch
wenn diese Konfiguration angewendet wird, die Wärmekapazität der Fläche, um die Endeinheitszelle zu
reduzieren, ohne einen signifikanten Anstieg in einem Leistungsverlust
zu verursachen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Stromabnehmerblechs
eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Struktur des Stromabnehmerblechs
eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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4 zeigt
eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels
gemäß einer
modifizierten Form der Erfindung; und
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5 zeigt
eine schematische Ansicht der Struktur eines Stromabnehmerblechs
des Brennstoffzellenstapels gemäß der modifizierten
Form der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Hiernach
wird ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Bezug auf 1 erklärt.
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Ein
Brennstoffzellenstapel der Erfindung kann zum Beispiel als ein Fahrzeugbrennstoffzellenstapel
angewendet werden, der in einem Fahrzeug montiert ist. Natürlich versteht
es sich von selbst, dass der Brennstoffzellenstapel der Erfindung
auch als Brennstoffzellenstapel für andere Verwendungen verwendet
werden kann.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird der
Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einheitszellen 2 gebildet,
die in einer Richtung gestapelt sind. Jede Einheitszelle 2 enthält eine
Membranelektrodenanordnung (MEA), die gebildet wird aus einer Elektrolytmembran,
zum Beispiel einer Festpolymermembran, die eingebettet ist zwischen
den jeweiligen Elektroden, die an jeder ihrer Seiten bereitgestellt
sind (diese strukturellen Elemente werden im Detail nicht in 1 gezeigt).
Ferner wird jede Einheitszelle 2 mit einem Paar Separatoren
bereitgestellt, die so angebracht sind, dass sie das MEA von seinen
beiden Seiten einbetten. Man bemerke, dass im weiteren die Endeinheitszellen,
die an den jeweiligen Enden des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung
positioniert sind, als Endeinheitszellen 2A bezeichnet
werden, um sie klar von den anderen Einheitszellen 2 zu unterscheiden.
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Stromabnehmerbleche 4 werden
an der Außenseite
jeder Endeinheitszelle 2A angebracht und jeweilige Ausgangsanschlüsse 6 werden
mit einem Randanteil jedes Stromabnehmerblechs 4 verbunden.
Diese Ausgangsanschlüsse 6 entnehmen Strom,
der von den Einheitszellen 2 durch die Stromabnehmerbleche 4 an
der Außenseite
des Brennstoffzellenstapels gesammelt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Stromabnehmerbleche 4 nicht einheitlich dick.
Stattdessen ist jedes Stromabnehmerblech 4 so geformt,
dass es allmählich
von einem Randanteil aus, mit der der Ausgangsanschluss 6 verbunden
ist, in Richtung des Randanteils auf der gegenüberliegenden Seite dünner wird.
Die Blechdicke des Randanteils auf der Ausgangsanschlussseite 6 ist
im Wesentlichen dieselbe wie die von Stromabnehmerblechen, die in
verwandter Technik offenbart sind. Jedoch ist die Blechdicke des
Kantenanteils auf der gegenüberliegenden
Seite dünner
als die, die in verwandter Technik offenbart ist. Zum Beispiel wird
in dem Fall, dass die Breite des Stromabnehmerblechs 4 ungefähr 300 mm
ist und die Plattendicke auf der Ausgangsanschlussseite 6 2
mm ist, die Plattendicke auf der gegenüberliegenden Seite auf ungefähr 1 mm
eingestellt.
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Mit
der oben beschriebenen Konfiguration wird das Stromabnehmerblech 4 so
gebildet, dass seine Dicke in verschiedenen Regionen variiert. Entsprechend
wird das Gesamtvolumen des Stromabnehmerblechs 4 kleiner
gemacht als das des in der verwandten Technik offenbarten Stromabnehmerblechs,
wodurch es möglich
ist, die Gesamtwärmekapazität des Stromabnehmerblechs 4 zu
reduzieren. Als ein Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass Wärme von
den Endeinheitszellen 2A an die Stromabnehmer 4 abgestrahlt
wird, was es ermöglicht, dass
die Temperatur der Endeinheitszellen 2A schnell erhöht wird,
wenn der Brennstoffzellenstapel bei niedriger Temperatur gestartet
wird. Man bemerke, dass es absehbar ist, dass ein weniger dick Machen
des Stromabnehmerblechs 4 einen Leistungsverlust verursacht,
der erhöht
wird gemäß einem
Anstieg im elektrischen Widerstand. Dieses Problem wird jedoch vermieden,
weil das Stromabnehmerblech 4 nicht gleichmäßig dünn gemacht
wird, sondern stattdessen in einer für die jeweilige Region nötige Dicke.
Unter Wahrung dieser Konfiguration ist es möglich, das Auftreten eines
Leistungsverlusts zu verhindern. Mit anderen Worten ist die Stromdichte im
Stromabnehmerblech 4 (a) hoch in der Region nahe dem Anteil,
an dem der Ausgangsanschluss 6 angeschlossen ist, und (b)
wird immer kleiner in Regionen, die weiter von dem Anteil, an dem
der Ausgangsanschluss 6 angeschlossen ist. Jedoch stellt die
Konfiguration sicher, dass die Fläche des Stromabnehmerblechs 4 genügend dick
ist, wo die Stromdichte hoch ist, so wie in der offenbarten verwandten Technik.
Auf der anderen Seite ist das Stromabnehmerblech 4 dünn in Regionen,
in denen die Stromdichte niedrig ist, namentlich, wo der Leistungsverlust
inhärent
klein ist. Entsprechend wird der Leistungsverlust nicht signifikant
erhöht,
so wie es vergleichbar mit Stromabnehmerblechen der verwandten Technik
der Fall ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
können
die Stromabnehmerbleche 4 einheitlich dick sein, wobei – anstatt
die Dicke des Stromabnehmerblechs 4 in verschiedenen Regionen
zu variieren – das
Stromabnehmerblech 4 so gemacht wird, dass eine Wärmekapazität pro Einheitsfläche davon
verschieden für eine
Nachbarregion ist, die nahe an einem Anteil ist, an dem der Ausgangsanschluss
angeschlossen ist, verglichen mit anderen Regionen des Stromabnehmerblechs,
und die Wärmekapazität pro Einheitsfläche der
anderen Regionen kann kleiner sein als die Wärmekapazität pro Einheitsfläche der
benachbarten Region. Zum Beispiel kann die spezifische Wärme des
Materials der Nachbarregion kleiner sein als die spezifische Wärme des
Materials der anderen Regionen.
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Wenn
die oben beschriebene Konfiguration gegeben ist, ermöglicht es
der Brennstoffzellenstapel gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, dass die Temperatur der Endeinheitszellen schnell
erhöht
wird, wenn der Brennstoffzellenstapel bei niedriger Temperatur gestartet
wird, ohne einen schädlichen
Einfluss auf die Batterieleistung während eines normalen Betriebs
zu haben.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Als
nächstes
wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Bezug auf 2 erklärt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Stromabnehmerblechs 14 eines Brennstoffzellenstapels
gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung zeigt. Das Stromabnehmerblech 14 kann anstelle
des Stromabnehmerblechs 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
benutzt werden. Jedoch ist im Gegensatz zum Stromabnehmerblech 4 der
ersten Erfindung die Blechdicke des Stromabnehmerblechs 14 in
allen Regionen die gleiche. Zusätzlich
wird eine Vielzahl von Löchern 18 in
der Oberfläche
des Stromabnehmerblechs 14 gebildet. Diese Löcher 18 durchdringen
das Stromabnehmerblech 14 ganz in seiner Dickenrichtung. Die
Positionen und Größen der
Löcher 18 in
dem Stromabnehmerblech 14 werden so bestimmt, dass die
Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
einer jeden Region des Stromabnehmerblechs 14 größer wird, die
weiter entfernt von dem Anteil ist, an dem der Ausgangsanschluss 16 angeschlossen
ist. Zum Beispiel kann das Stromabnehmerblech 14 hypothetisch in
drei Regionen eingeteilt werden, namentlich Regionen 14A, 14B und 14C,
wie in 2 gezeigt. Ein kleines der Löcher 18 wird in der
Region 14A bereitgestellt, die eine benachbarte Region
nahe an dem Anteil ist, an dem der Ausgangsanschluss 16 verbunden
ist, und im Gegensatz dazu werden ein großes und ein kleines der Löcher 18 in
den Regionen 14B und 14C bereitgestellt, die die
anderen Regionen sind, die weiter von dem Ausgangsanschluss 16 entfernt
sind. Zusätzlich
werden die Löcher 18,
die in den weit von dem Ausgangsanschluss 16 entfernten zwei
Regionen 14B und 14C bereitgestellt werden, so
geformt, dass die Löcher 18 in
der Region 14C, die verglichen mit der Region 14B weiter
entfernt von dem Ausgangsanschluss 16 ist, größer sind
als die in der Region 14B bereitgestellt werden.
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Mit
der oben beschriebenen Konfiguration, in der die Vielzahl von Löchern 18 in
dem Stromabnehmerblech 14 bereitgestellt wird, ist es möglich, dass das
Gesamtvolumen des Stromabnehmerblechs 14 verglichen mit
Stromabnehmerblechen, wie sie in der verwandten Technik offenbart
sind, reduziert wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, die Gesamtwärmekapazität des Stromabnehmerblechs 14 zu
reduzieren. Des Weiteren ist die Fläche der Löcher pro Einheitsfläche der
Region 14A nahe an dem Ausgangsanschluss 16 mit
hoher Stromdichte klein und die Fläche der Löcher pro Einheitsfläche der
weit von dem Ausgangsanschluss 16 entfernten Regionen 14B und 14C mit
niedriger Stromdichte ist groß.
Entsprechend können
die Löcher 18 bereitgestellt
werden, wobei auch sichergestellt wird, dass kein substantieller
Anstieg in einem Leistungsverlust dadurch verursacht wird.
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Wenn
die oben beschriebene Konfiguration gegeben ist, ermöglicht es
der Brennstoffzellenstapel gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wie der des ersten Ausführungsbeispiels, dass die Temperatur
der Endeinheitszellen schnell erhöht wird, wenn der Brennstoffzellenstapel
bei niedriger Temperatur gestartet wird, ohne einen schädlichen Einfluss
auf die Batterieleistung während
eines normalen Betriebs zu haben. Des Weiteren kann das Stromabnehmerblech 14 einfach
durch Bilden der Löcher 18 in
einem Blech mit gleichmäßiger Dicke hergestellt
werden. Entsprechend ist diese Herstellungsmethode vorteilhaft verglichen
zu der, die im ersten Ausführungsbeispiel
verwendet wurde, in dem das Stromabnehmerblech 4 so herzustellen
war, dass es eine variierende Dicke hat.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Als
nächstes
wird ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Stromabnehmerblechs 24 eines Brennstoffzellenstapels
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt. Das Stromabnehmerblech 24 kann anstelle
des Stromabnehmerblechs 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet
werden. Das Stromabnehmerblech 24 ist wie das Stromabnehmerblech 14 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
mit einer Vielzahl von Löchern 18 in
seiner Oberfläche
bereitgestellt. Diese Löcher 18 durchdringen
das Stromabnehmerblech 24 ganz in seiner Dickenrichtung.
Ferner wird die Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
der verschiedenen Regionen des Stromabnehmerblechs 24 so
gesetzt, dass sie verschieden sind. Jedoch ist der Hauptunterschied
zum zweiten Ausführungsbeispiel
der, dass in dem dritten Ausführungsbeispiel
alle Löcher 28 die gleiche
Größe haben,
und der Unterschied in der Fläche
der Löcher
pro Einheitsfläche
wird realisiert durch Variieren der Anzahl der Löcher 28 in jeder Region.
Genauer sind in der Nachbarregion nahe an dem Anteil, an dem der
Ausgangsanschluss 26 angeschlossen ist, wenige Löcher 28,
während
in den Regionen, die weiter von dem Ausgangsanschluss 26 entfernt
sind, viele Löcher 28 sind.
Als ein Ergebnis der Anwendung dieser Konfiguration ist es möglich, dieselben
Effekte wie mit dem zweiten Ausführungsbeispiel
zu realisieren.
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Andere modifizierte Formen
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Bis
hierher wurden verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Jedoch ist die Erfindung in keiner Weise
auf diese Ausführungsformen
beschränkt
und kann in verschiedenen anderen modifizierten Formen realisiert
werden, die in dem Bereich der Erfindung bleiben, wie er in den
Ansprüchen
gelehrt wird. Die folgenden Beispiele illustrieren nur einige dieser
anderen möglichen
Formen.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird das Volumen pro Einheitsfläche
des Stromabnehmerblechs entweder in einer kontinuierlichstetigen
Weise (in dem ersten Ausführungsbeispiel)
oder stufenweise (in den zweiten und dritten Ausführungsbeispielen)
gemäß dem Abstand
von dem Anteil variiert, an dem der Ausgangsanschluss angeschlossen
ist. Jedoch kann eine beliebige Konfiguration benutzt werden, solange
sichergestellt ist, dass das Volumen pro Einheitsfläche der
benachbarten Region nahe an dem Anteil, an dem der Ausgangsanschluss
angeschlossen ist, ausreichend ist. Zum Beispiel kann das Volumen
pro Einheitsfläche der
beiden anderen Regionen in gleichem Umfang reduziert werden. Es
soll festgestellt werden, dass die Stromdichte in dem Stromabnehmerblech
dramatisch in der Nachbarregion nahe an dem Anteil, an dem der Ausgangsanschluss
angeschlossen ist, ansteigt. Deswegen gibt es keine Wahrscheinlichkeit, dass
ein Leistungsverlust signifikant ansteigen wird, solange sichergestellt
ist, dass das Volumen pro Einheitsfläche dieser Nachbarregion ausreichend
ist, selbst wenn das Volumen pro Einheitsfläche der anderen Regionen gleich
reduziert wird.
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Weiterhin
zeigt 4 eine schematische Ansicht der Konfiguration
einer modifizierten Form eines Brennstoffzellenstapels, der in jedem
der obigen Ausführungsbeispiele
angewendet werden kann. In dieser modifizierten Form werden die
Einheitszellen 30 (mit Ausnahme der Endeinheitszellen 30A)
aus einem MEA 32 geformt, das von beiden Seiten durch jeweilige
Separatoren 34 eingebettet ist. Jeder Separator 34 wird durch
benachbarte Einheitszellen 30 gemeinsam benutzt. Eine Vielzahl
von Gasdurchlässen 36 und 38,
um Reaktionsgas bereitzustellen, werden in den jeweiligen Oberflächen eines
jeden Separators 34 gebildet, die in Kontakt mit den MEAs 32 sind. Die
in der Oberfläche
auf der Anodenseite eines jeden Separators 34 geformten
Gasdurchlässe 36 sind Durchlässe zum
Versorgen mit Brenngas und die Gasdurchlässe 38, die auf der
Kathodenseite geformt sind, sind zum Versorgen mit Oxidationsgas.
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Jede
Endeinheitszelle 30A wird (im Gegensatz zu den anderen
Einheitszellen 30) so konfiguriert, dass das MEA 32 zwischen
einem der Separatoren 34, der zu der Innenseite hin angebracht
ist (namentlich der Seite in Richtung des Zentrums des Brennstoffzellenstapels)
und einem Stromabnehmerblech 40, das zur Außenseite
hin angebracht ist, eingebettet ist. Das Stromabnehmerblech 40 ist
mit einem Ausgangsanschluss 46 verbunden. Mit anderen Worten
wird bei den Endeinheitszellen 30A gemäß dieser modifizierten Form
der Separator weggelassen, der in der verwandten Technik an der
Außenseite
des MEA 32 positioniert wird, und stattdessen führt das
Stromabnehmerblech 40 die Funktion des Separators durch.
Entsprechend wird eine Vielzahl von Gasdurchlässen 42 zum Versorgen
des MEAs 32 mit Gas in dem Stromabnehmerblech 40 gebildet.
In 4 ist das gezeigte MEA 32 auf der Anodenseite angebracht
und daher versorgen die Gasdurchlässe 42 mit Brenngas.
Es soll bemerkt werden, dass Kupfer, das in Bezug auf elektrische
Leitfähigkeit
heraussticht, als Material des Stromabnehmerblechs 40 benutzt
wird, und die Gasdurchlässe 42 goldplattiert sind,
um ihre Korrosionsbeständigkeit
zu verbessern.
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Gemäß dieser
modifizierten Form der Erfindung ist es möglich, die Wärmekapazität des Gebiets rund
um die Endeinheitszelle 30A durch Integration des Stromabnehmerblechs 40 und
des Separators, der normalerweise an der Außenseite einer jeden Endeinheitszelle 30A angebracht
wird, zu reduzieren. Entsprechend wird ein Abstrahlen von Wärme von
den Endeinheitszellen 30A verhindert, und es ist möglich, die
Temperatur der Endeinheitszellen 30A schneller zu erhöhen, wenn
der Brennstoffzellenstapel bei niedriger Temperatur gestartet wird.
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Des
Weiteren ist es mit der oben beschriebenen modifizierten Form möglich, wie
in 5 illustriert, die Gasdurchlässe 42 so zu bilden,
dass ihre Tiefe oder Breite verschieden sind in den Regionen, die
weit von dem Ausgangsanschluss 46 entfernt sind, verglichen
mit der benachbarten Region nahe an dem Anteil, an dem der Ausgangsanschluss 46 verbunden
ist. Genauer können
die Tiefe oder Breite der Gasdurchlässe 42 so eingestellt
werden, dass das Volumen pro Einheitsfläche des Stromabnehmerblechs 40 immer
kleiner wird in Regionen, die weiter entfernt sind von dem Anteil,
an dem der Ausgangsanschluss 46 verbunden ist. Durch Anwenden dieser
Konfiguration ist es möglich,
die Wärmekapazität der Fläche rund
um die Endeinheitszellen 30A kleiner zu machen, ohne einen
signifikanten Anstieg in einem Leistungsverlust zu verursachen.