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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Aufnahme einer
Brennstoffzelle.
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Wie in Figur 1 gezeigt, besteht eine Einheitszelle 8, die eine
Brennstoffzelle bildet, aus einem Paar von Gasdiffusionselektroden 2,
einer zwischen den Elektroden 2 gehaltenen Elektrolytmatrix 1, einer
Kohlenstoffplatte 5, die parallele Durchgänge 4 für Brennstoff
(Wasserstoff) in regelmäßigen Abständen an der oberen Fläche der
oberen Elektrode 2 aufweist, und einer Kohlenstoffplatte 7, die parallele
Durchgänge 6 für Luft (Sauerstoff) in regelmäßigen Abständen an der
unteren Fläche der unteren Elektrode 2 aufweist, wobei die jeweiligen
Durchgänge 4, 6 unter rechten Winkeln gekreuzt sind. Wenn die
Brennstoffzelle aus sotchen Einheitszellen 8 zusammengesetzt ist, sind
viele Schichten der Einheitszellen 8 abwechselnd mit Trennplatten 9
aufgestapelt und auf einer Grundplatte 11 befestigt, die an zwei
diagonal gekreuzten Balken 12 befestigt ist, wie in Figur 2 gezeigt.
Obere Balken 13 sind diagonal gekreuzt und mit Druckstücken 14
ausgestattet, die auf die Druckplatte 10 gesetzt sind, so daß die
Zell schichten 8 und die Trennplatten 9 an den Enden der oberen und
unteren Druckbalken 13, 12 mittels Bolzen 15 und Muttern 16 befestigt
sind.
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Bei der obigen Anordnung zur Aufnahme der Brennstoffzelle, die
mittels der Bolzen 15 und der Muttern 16 an den Enden der oberen und
unteren Druckbalken 13, 12 gehalten ist, ist es ziemlich schwierig, die
ganze Fläche durch die Vierpunktbefestigiing mittels der Druckstücke
gleichmäßig zu pressen. Wenn sich die Bolzen 15 aufgrund von
Temperaturanstieg ausdehnen, werden die Zellen 8 locker, und die
Dichtigkeit der Durchgänge 4 für Brennstoff (Wasserstoff) und der
Durchgänge 6 für Luft (Sauerstoff) wird beschädigt, und die erzeugte
Ungleichheit des Kontaktwiderstands führt zu einer Verringerung der
Leistung.
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Um einen konstanten Schließdruck auf den Stapel aufrechtzuerhalten, ist
es bekannt, Druckfedern zum Ausgleich thermischer Ausdehnungen der
verschiedenen Materialien, die den Stapel bilden, einzusetzen. Eine
Offenbarung dieser Technik ist in EP-A-0 329 191
(Ishikawajima-Harima Heavy Ind.) enthalten.
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Um Gleichmäßigkeit des auf den Stapel wirkenden Druckes zu
verbessern, ist es aus JP-A-6 020 474 (Fuji Denki Sougou Kenkyusho)
bekannt, eine Druckkugel zwischen einer Endplatte des Stapels und
einem Befestigungsteil einzusetzen. Die in einer sphärischen Aufnahme
gehalterte Druckkugel schafft einen Schwenkeingriff zwischen der
Endplatte des Stapels und dem Druckteil.
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Stapel von Brennstoffzellen erfordern, daß trotz zykiischer thermischer
Abweichungen langfristig Dichtigkeit beibehalten wird und daß sich
entlang des Randes der aufgestapelten Schichten, die den
Brennstoffzellenstapel bilden, keine undichten Stellen entwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur
Aufnahme einer Brennstoffzelle zu schaffen, bei der eine Vielzahl von
Schichten aus aufgestapelten Einheitszellen eine Brennstoffzelle bilden.
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Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur
Aufnahme einer Brennstoffzelle zu schaffen, bei der alle der
Einheitszellen gleichmäßig aneinandergepreßt sind, um die Zellen nicht
zu lockern, selbst wenn ein Element der Anordnung, zum Beispiel
aufgrund von Temperaturanstieg, ausgedehnt wird.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur
Aufnahme einer Brennstoffzelle zu schaffen, welche Dichtigkeit von
Durchgängen für den Brennstoff sowie für ein Sauerstoff enthaltendes
Gas sicherstellt.
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Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur
Aufnahme einer Brennstoffzelle zu schaffen, welche die im
wesentlichen konstante Leistung aufrechterhält.
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Ein Aspekt dieser Erfindung ist eine Anordnung zur Aufnahme einer
Brennstoffzelle, umfassend eine Mehrzahl von Schichten aus
Einheitszellen, die eine Brennstoffzelle bilden und die zwischen einem
Befestigungsteil und einer Grundplatte elastisch aufgestapelt sind, wobei
die im wesentlichen ganze Fläche von wenigstens einer der
Endschichten von der Fläche einer Preßvorrichtung gepreßt wird, von
welcher der andere Abschnitt drehbar mit der Fläche des
Befestigungsteils in Eingriff ist.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung zur Aufnahme
einer Brennstoffzelle, umfassend eine Mehrzahl von Schichten aus
Einheitszellen, die eine Brennstoffzelle bilden und die abwechselnd mit
Trennplatten aufgestapelt, auf einer Grundplatte angeordnet sind; eine
Preßvorrichtung, die an ihrem oberen mittigen Abschnitt einen
sphärischen Fortsatz aufweist und auf den aufgestapelten Schichten
angeordnet ist; und ein Befestigungsteil, das an seinem unteren mittigen
Abschnitt eine gewölbte Höhlung aufweist, die mit dem sphärischen
Fortsatz der Preßvorrichtung im Eingriff steht; wobei die aufgestapelten
Einheitszellen mittels Bolzen und Muttern an den vier Ecken des
Befestigungsteils und an den vier Ecken der Grundplatte befestigt sind
und die Muttern über Druckfedern, die zwischen den Muttern und der
oberen Fläche des Befestigungsteils angeordnet sind, auf die Bolzen
aufgeschraubt sind.
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Da die im wesentlichen ganze Fläche der aufgestapelten Schichten der
Einheitszellen bei dem ersten Aspekt der Erfindung elastisch gepreßt
ist, kann die Ungleichheit der Befestigungskräfte, selbst wenn dies
auttritt, absorbiert werden, so daß die dauerhafte Befestigung der
Einheitszellen erzielt werden kann, um die dauerhafte Dichtigkeit sowie
die konstante Leistung sicherzustellen.
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Da die aufgestapelten Schichten der Einheitszellen bei dem zweiten
Aspekt der Erfindung durch Befestigen der Einheitszellen mittels des
Befestigungsteils, das an seinem unteren mittigen Abschnitt eine
gewölbte Höhlung aufweist, über die Preßvorrichtung, die den
sphärischen Fortsatz an dem oberen mittigen Abschnitt aufweist,
festgehalten werden, ist die gesamte Befestigungskraft des
Befestigungsteils auf die Preßvorrichtung über den gewölbten Fortsatz
an der Mitte seines oberen Abschnitts konzentriert, selbst wenn die
Befestigungsdrehmomente der Bolzen und der Muttern, die an den vier
Ecken das Befestigungsteil befestigen, mehr oder weniger voneinander
abweichen. Daher ist die gesamte Fläche der oberen Fläche der
Einheitszellen mittels der Preßvorrichtung mit gleichmäßigem
Flächendruck gepreßt, so daß die Ungleichmäßigkeit vermindert werden
kann. Selbst wenn die Bolzen aufgrund des Temperaturanstiegs
ausdehnt sind, werden die Zellen nicht gelockert, da die
Preßvorricbtung mittels der Druckfedern angepreßt wird. Entsprechend
wird die Dichtigkeit der Durchgänge für Brennstoff (Wasserstoff) sowie
der Durchgänge für Luft (Sauerstoff) nicht im geringsten beschädigt,
und die Leistung ist nicht verringert, da der Kontaktwiderstand nicht
ansteigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine vergrößerte längsgeschnittene Ansicht einer Zelle, die
eine Brennstoffzelle bildet;
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Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine konventionelle
Anordnung zur Aufnahme einer Brennstoffzelle zeigt; und
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Figur 3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht, die ein
Beispiel einer Anordnung zur Aufnahme einer Brennstoffzelle gemäß
der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Realisierung einer
Anordnung zur Aufnahme einer Brennstoffzelle darin, welche die
Dichtigkeit der Durchgänge für Brennstoff und Luft sicherstellt und die
hohe Leistung aufrechterhält.
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Wie in Figur 1 gezeigt, können die Komponenten der Brennstoffzelle
selbst die gleichen sein, wie jene, die in einer konventionellen
verwendet werden.
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Die Grundanordnung der Erfindung ist aus einer Mehrzahl von
Einheitszellen gebildet, die zwischen einem Befestigungsteil und einer
Grundplatte elastisch angeordnet sind, und die im wesentlichen ganze
Fläche oder Flächen von wenigstens einer der Endschichten der
Einheitszelle ist nach unten oder nach oben gepreßt mittels der Fläche
oder Flächen der Preßvorrichtung oder Vorrichtungen, von welcher der
andere Abschnitt oder Abschnitte mit der Fläche oder Flächen des
Befestigungsteils oder -teilen drehbar im Eingriff stehen.
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Obgleich die vier Ecken des Befestigungsteils und jene der Grundplatte
vorzugsweise mittels vier Paaren von Bolzen und Muttern verbunden
sein können, können jedwede anderen Verbindungseinrichtungen
eingesetzt werden, vorausgesetzt, daß die Einheitszellen elastisch
zwischen dem Befestigungsteil und der Grundplatte angeordnet sein
können. Eine Einrichtung zum Bereitstellen von Elastizität ist
wünschenswerterweise eine Feder, die zwischen der Preßvorrichtung
und dem Befestigungsteil oder zwischen der Mutter und dem
Befestigungsteil angeordnet sein kann.
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Um die eventuell ungleichmäßigen äußeren Kräfte zu absorbieren, ist in
der vorliegenden Erfindung eine Preßvorrichtung eingesetzt. Obgleich
diese Preßvorrichtung auf einer Endschicht der Einheitszellen
angeordnet sein kann oder zwei Stück der Vorrichtungen auf beiden
Endschichten der Einheitszellen angeordnet sein können, ist eine
Preßvorrichtung vorzugsweise auf der oberen Endschicht der
Einheitszellen angeordnet.
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In dieser bevorzugten Anordnung steht die untere Fläche der
Vorrichtung in Kontkkt mit der im wesentlichen ganzen oberen Fläche
der Einheitszellen, und der obere Abschnitt hiervon steht mit der
unteren Fläche des Befestigungsteils drehbar im Eingriff. Eine
besonders bevorzugte, im Eingriff stehende Anordnung zwischen dem
Befestigungsteil und der Vorrichtung besteht darin, daß an dem oberen
Abschnitt der Vorrichtung ein sphärischer Fortsatz angeformt ist, der
mit einer gewölbten Höhtung, die in die mittige untere Fläche des
Befestigungsteils eingeformt ist, dreh bar im Eingriff steht. Ebenso kann
jede andere, drebbar im Eingriff stehende Anordnung zwischen einer
Vorrichtung und einem Befestigungsteil eingesetzt werden.
Beispielsweise kann eine Stahlkugel zwischen zwei gewölbten
Höhlungen, die in die mittigen Abschnitte der Vorrichtung sowie des
Befestigungsteils eingeformt sind, drehbar gelagert sein.
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Die Form der Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, daß die äußere
Kraft des Befestigungsteils von dem mittigen Abschnitt, der das
Befestigungsteil berührt, auf die andere ganze Fläche der Vorrichtung
übertragen wird. Diese Vorrichtung kann massiv oder hohl sein, und
die bevorzugte Form ist pyramidal.
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Die Form des Befestigungsteils ist nicht besonders beschränkt,
vorausgesetzt, daß das Befestigungsteil mit der Vorrichtung drehbar in
Verbindung stehen kann, und zum Beispiel können zwei gekreuzte
Balken, die an dem gekreuzten Punkt mit der Vorrichtung in
Verbindung stehen, eingesetzt werden.
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Bei der so beschriebenen Anordnung zur Aufnahme werden, falls die
ungleichmäßigen äußeren Kräfte wirken, mit anderen Worten, wenn das
Befestigungsteil geneigt ist, die Kräfte zuerst auf den oberen Abschnitt
oder auf den sphärischen Fortsatz der Vorrichtung, an wetchem Punkt
die ungleichmäßigen Kräfte konzentriert werden, und von dem sie sich
gleichmäßig auf die ganze obere Fläche der Einheitszellen verteilen,
übertragen, so daß die Dichtigkeit sowie die Leistung konstant
aufrechterhalten werden können. Wenn die zwei Vorrichtungen
eingesetzt sind, kann die Ungleichmaßigkeit mittels des gleichen
Mechanismus vermindert werden.
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Ein bevorzugtes Beispiel einer Anordnung zur Aufnahme einer
Brennstoffzelle gemaß der vorliegenden Erfindung, wird nun unter
Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben.
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Viele Zellen 8, in diesem Beispiel neun Schichten, die eine
Brennstoffzelle bilden, deren Details in Figur 1 gezeigt sind sind auf
einer Grundplatte 17 befestigt, nachdem sie abwechselnd mit
Trennplatten 9 aufgestapelt wurden; auf dem oberen mittigen Abschnitt
hiervon ist eine hohle pyramidale Preßvorrichtung 19, die einen
sphärischen Fortsatz 18 aufweist, angeordnet. Ein Befestigungsteil 21,
das eine Platte oder gekreuzte Balken sein kann, weist an seinem
unteren mittigen Abschnitt eine gewölbte Höhlung 20 auf, deren
Krümmungsradius größer ist als jener des sphärischen Fortsatzes 18,
und steht mit dem sphärischen Fortsatz 18 der Preßvorrichtung 19 an
der gewölbten Höhlung 20 im Eingriff. Die aufgestapelten Zellen 8 sind
mittels Bolzen 22 und Muttern 24 an den vier Ecken des
Befestigungsteils 21 und an den vier Ecken der Grundplatte 17
befestigt, wobei die Muttern 24 über eine Druckfeder 23, die zwischen
den Muttern und der oberen Fläche des Befestigungsteils 21 angeordnet
ist, auf die Bolzen 22 aufgeschraubt sind.
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Bei der so konstruierten Anordnung zur Aufnahme der Brennstoffzelle
dieses Beispiels ist, selbst wenn sich die Befestigungsdrehmomente der
Bolzen 22 und der Muttern 24 an den vier Ecken zur Befestigung der
Befestigungsplatte 21 mehr oder weniger voneinander unterscheiden, die
gesamte Befestigungskraft des Befestigungsteils 21 auf die
Preßvorrichtung l9 über den gewölbten Fortsatz 18 an dem mittigen
oberen Abschnitt hiervon konzentriert. Deshalb ist die ganze Fläche der
Zellen der aufgestapelten Schichten mittels der Preßvorrichtung 19 mit
gleichmäßigem Flächendruck gepreßt, so daß die Ungleichmäßigkeit
vermindert werden kann. Selbst wenn die Bolzen 22 aufgrund des
Temperaturanstiegs ausgedehnt sind, sind die Zellen 8 nicht gelockert,
da die Preßvorrichtung 19 mittels der Druckfedern 23 gepreßt ist.
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Entsprechend ist die Dichtigkeit der Durchgänge 4 für Brennstoff
(Wasserstoff) sowie der Durchgänge 6 für Luft (Sauerstoff) der Zellen
8 nicht im geringsten beschädigt, und die Leistung ist nicht verringert,
da der Kontaktwiderstand nicht ansteigt.
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Obgleich die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben wurde, ist es leicht einzusehen, daß die vorliegende
Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist und
verschiedene Veränderungen und Modifikationen bei der vorliegenden
Erfindung von Fachleuten durchgeführt werden können, ohne den
Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.