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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Heizeinheit dafür.
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STAND DER TECHNIK
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Im Allgemeinen umfasst eine Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytmembran und erzeugt Elektrizität unter Verwendung von Luft, die einer Oberfläche der Membran zugeführt wird, und Wasserstoff, der der entgegengesetzten Oberfläche der Membran zugeführt wird. Diese Brennstoffzelle dient dazu, ein Fahrzeug mit Elektrizität zu versorgen. Es wurden Studien über eine Heizung zum Heizen eines Zellenstapels einer Brennstoffzelle durchgeführt, in dem eine Vielzahl von Zelleneinheiten gestapelt ist.
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Die Informationen, die in diesem Abschnitt zum Stand der Technik umfasst sind, dienen lediglich dem besseren Verständnis des allgemeinen Standes der Technik der vorliegenden Offenbarung und dürfen nicht als eine Bestätigung oder irgendeine Art der Andeutung aufgefasst werden, dass diese Informationen den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Dementsprechend richten sich Ausführungsformen auf eine Brennstoffzelle, die ein oder mehrere Probleme aufgrund von Einschränkungen und Nachteilen des Standes der Technik im Wesentlichen vermeidet.
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Eine Aufgabe von Ausführungsformen besteht darin, eine Brennstoffzelle vorzusehen, die den Austausch einer Heizeinheit bei geringeren Kosten und in kürzerer Zeit ermöglicht.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Brennstoffzelle einen Zellenstapel, der eine Vielzahl von gestapelten Zelleneinheiten umfasst, und eine Heizeinheit umfassen, die ausgestaltet ist, Wärme auf den Zellenstapel anzuwenden. Die Heizeinheit kann einen Wärmeerzeugungsteil und einen Wärmeerzeugungsteil-Stützteil umfassen, die an einer Endseite des Zellenstapels angeordnet sind. Der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil kann das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils darin oder sein Herausziehen daraus ermöglichen, und der in dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil eingebaute Wärmeerzeugungsteil kann derart in dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil montiert werden, dass er der Endseite des Zellenstapels zugewandt ist.
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Zum Beispiel kann die Brennstoffzelle überdies eine Endplatte, die an der Endseite des Zellenstapels angeordnet ist, und einen Stromkollektor umfassen, der zwischen dem Ende des Zellenstapels und der Endplatte angebracht ist.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil zwischen dem Ende des Zellenstapels und der Endplatte angebracht sein.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil zwischen dem Ende des Zellenstapels und dem Stromkollektor angebracht sein.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil zwischen der Endplatte und dem Stromkollektor angebracht sein.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil einstückig mit der Endplatte gebildet sein.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil einstückig mit dem Stromkollektor gebildet sein.
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Zum Beispiel kann die Heizeinheit überdies einen Leistungsverbindungsteil, der mit einer Antriebsleistungsquelle verbunden ist, und einen Abdeckungsteil umfassen, an dem der Leistungsverbindungsteil angeordnet ist. Der Wärmeerzeugungsteil kann ein mit dem Leistungsverbindungsteil verbundenes ebenes Heizelement umfassen, das als Reaktion auf die Antriebsleistungsquelle Wärme erzeugt. Das ebene Heizelement ist an der Endseite des Zellenstapels angeordnet.
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Zum Beispiel kann die Brennstoffzelle überdies eine Hülle umfassen, die mindestens einen Abschnitt von lateralen Seiten des Zellenstapels umgibt.
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Zum Beispiel kann die Heizeinheit überdies einen Fixierungsteil umfassen, der ausgestaltet ist, den Abdeckungsteil abnehmbar an mindestens einem von der Endplatte, dem Stromkollektor und/oder der Hülle zu sichern. Der Abdeckungsteil, das ebene Heizelement und der Leistungsverbindungsteil können einstückig beweglich sein.
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Zum Beispiel kann die Hülle eine Aufnahmeaussparung umfassen, die in einem Umfang des Wärmeerzeugungsteils gebildet ist. Der Fixierungsteil und der Leistungsverbindungsteil können sich von dem Abdeckungsteil erstrecken und können in der Aufnahmeaussparung aufgenommen sein.
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Zum Beispiel kann die Brennstoffzelle überdies eine Vielzahl von Klemmgliedern zum Klemmen der Zelleneinheiten zusammen mit der Endplatte umfassen.
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Zum Beispiel kann die Heizeinheit überdies einen Fixierungsteil umfassen, der ausgestaltet ist, den Abdeckungsteil abnehmbar an dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil zu sichern. Der Abdeckungsteil, das ebene Heizelement und der Leistungsverbindungsteil können einstückig beweglich sein.
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Zum Beispiel kann der Abdeckungsteil eine sich darin erstreckende Durchgangsöffnung umfassen und der Fixierungsteil kann eine Fixierungsschraube umfassen, die durch die Durchgangsöffnung in dem Abdeckungsteil an dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil befestigt ist.
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Zum Beispiel kann der Abdeckungsteil eine erste Oberfläche, mit der das ebene Heizelement verbunden ist, und eine zweite Oberfläche umfassen, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist. Der Leistungsverbindungsteil kann an der zweiten Oberfläche angeordnet sein.
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Zum Beispiel kann die Heizeinheit überdies einen Wärmeleitungsteil umfassen, der ausgestaltet ist, Wärme von dem Wärmeerzeugungsteil zu einem Umfang des Wärmeerzeugungsteils zu leiten.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil eine erste Region, in der der Wärmeerzeugungsteil montiert ist, wobei die erste Region an der Endseite des Zellenstapels angeordnet ist, zweite Regionen, in denen Sammelrohre angeordnet sind, wobei die zweiten Regionen einander mit der dazwischen angeordneten ersten Region entgegengesetzt sind, und dritte Regionen umfassen, in denen der Wärmeleitungsteil angeordnet ist, wobei jede von den dritten Regionen zwischen der ersten Region und einer jeweiligen von der Vielzahl von zweiten Regionen angeordnet ist.
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Zum Beispiel kann der Wärmeleitungsteil zwischen dem ebenen Heizelement und dem Ende des Zellenstapels angebracht sein.
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Zum Beispiel kann das ebene Heizelement eine Heizung und einen Heizungsstützteil umfassen, der mindestens einen Abschnitt der Heizung umgibt.
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Zum Beispiel kann die Heizung eine Folienform oder eine Plattenform aufweisen.
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Zum Beispiel kann der Heizungsstützteil mindestens eines von Metall, Keramik und/oder einem isolierenden Material umfassen.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil eine erste Seite, auf der einige von den Klemmstegen angebracht sind, und eine der ersten Seite entgegengesetzte zweite Seite umfassen, an der die übrigen von den Klemmstegen angebracht sind. Mindestens eine von der ersten Seite oder der zweiten Seite kann mindestens eine Öffnung umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Zum Beispiel kann der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil eine erste Region, in der der Wärmeerzeugungsteil angeordnet ist, eine zweite Region, die in der Nähe der ersten Region angeordnet ist und in der die Sammelrohre angeordnet sind, und eine vierte Region umfassen, die zwischen der ersten Region und der zweiten Region angeordnet ist und in der Klemmglieder angeordnet sind, um einander entgegengesetzt zu sein.
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Zum Beispiel kann eine Vielzahl von ersten Regionen vorgesehen sein.
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Figurenliste
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Anordnungen und Ausführungsformen können ausführlich unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben sein, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht ist, die das äußere Erscheinungsbild einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 2 eine perspektivische Ansicht ist, die das äußere Erscheinungsbild einer Brennstoffzelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 3 eine Querschnittsansicht von Endplatten und eines Zellenstapels von jeder von den in 1 und 2 gezeigten Brennstoffzellen ist;
- 4A, 4B und 4C perspektivische Ansichten eines Beispiels einer Heizeinheit sind, die in der in 1 gezeigten Brennstoffzelle umfasst ist;
- 5 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Teil des äußeren Erscheinungsbilds einer Brennstoffzelle gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 6A, 6B und 6C Querschnittsansichten sind, die verschiedene Beispiele eines ebenen Heizelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigen;
- 7 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Abschnitts „A“ ist;
- 8A, 8B, 8C und 8D Draufsichten von Brennstoffzellen gemäß noch anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung sind;
- 9A und 9B perspektivische Ansichten einer Brennstoffzelle gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung sind;
- 10 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist; und
- 11 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Offenbarung wird nun nachfolgend vollständiger unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen verschiedene Ausführungsformen gezeigt sind. Die Beispiele sind jedoch möglicherweise in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt und sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen begrenzt sind. Vielmehr werden diese Ausführungsformen derart vorgesehen, dass diese Offenbarung genauer und vollständiger ist und dem Fachmann den Schutzumfang der Offenbarung vollständiger vermittelt.
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Es ist zu verstehen, dass, wenn ein Element als „auf“ oder „unter“ einem anderen Element bezeichnet wird, es sich direkt auf/unter dem Element befinden kann oder auch ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können.
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Wenn ein Element als „auf“ oder „unter“ bezeichnet wird, können sowohl „unter dem Element“ als auch „auf dem Element“ basierend auf dem Element umfasst sein.
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Außerdem werden Ausdrücke, die eine Beziehung ausdrücken, wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“, „auf/oberer Teil/oberhalb“ und „unter/unterer Teil/unterhalb“ nur verwendet, um zwischen einem Gegenstand oder Element und einem anderen Gegenstand oder Element zu unterscheiden, ohne dass notwendigerweise irgendeine physikalische oder logische Beziehung oder Folge zwischen den Gegenständen oder Elementen erforderlich oder vorhanden ist.
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Nachfolgend wird eine Brennstoffzelle 100A bis 100I gemäß Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die Brennstoffzelle 100A bis 100I wird der Einfachheit der Beschreibung halber unter Verwendung des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) beschrieben. Es können indes andere unterschiedliche Koordinatensysteme verwendet werden. In den Zeichnungen sind eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse des kartesischen Koordinatensystems senkrecht zueinander. Die Ausführungsform ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das heißt, die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse können einander schneiden. In der folgenden Beschreibung kann die X-Achsenrichtung als eine „erste Richtung“ bezeichnet werden, die Y-Achsenrichtung kann als eine „zweite Richtung“ bezeichnet werden und die Z-Achsenrichtung kann als eine „dritte Richtung“ bezeichnet werden.
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild einer Brennstoffzelle 100A gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, und 2 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Erscheinungsbild einer Brennstoffzelle 100B gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Jede von den Brennstoffzellen 100A und 100B, die in 1 und 2 gezeigt sind, können einen Zellenstapel (nicht gezeigt) und Endplatten (Pressplatten oder Druckplatten) 110A und 110B umfassen.
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Die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 100A kann überdies eine Hülle 300 umfassen und die in 2 gezeigte Brennstoffzelle 100B kann überdies anstatt einer Hülle Klemmglieder 400 umfassen.
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Die in 1 gezeigte Hülle 300 kann derart angeordnet sein, dass sie zumindest einen Abschnitt der lateralen Seiten des Zellenstapels umgibt, der zwischen den Endplatten 110A und 110B angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Hülle 300 sämtliche von den lateralen Seiten des Zellenstapels umgeben. Alternativ kann die Hülle 300 einen Abschnitt der lateralen Seiten des Zellenstapels umgeben und ein zusätzliches Glied kann den übrigen Abschnitt der lateralen Seiten des Zellenstapels umgeben. Die Hülle 300 kann dazu dienen, eine Vielzahl von Zelleneinheiten zusammen mit den Endplatten 110A und 110B in der ersten Richtung zu klemmen. Das heißt, der Klemmdruck des Zellenstapels kann von den Endplatten 110A und 110B und der Hülle 300 aufrechterhalten werden, die starre Strukturen aufweisen.
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Die Klemmglieder 400 dienen zum Klemmen einer Vielzahl von Zelleneinheiten zusammen mit den Endplatten 110A und 110B in der ersten Richtung. Zum Beispiel können die Klemmglieder 400, wie in 2 gezeigt, in einer Stegform gebildet sein, aber die Ausführungsform ist nicht darauf beschränkt. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Klemmglieder 400 in der Form eines langen Bolzens, einer Bandform, oder der Form eines starren Seils gebildet sein, um die Zelleneinheiten zu klemmen. Obgleich in 2 veranschaulicht ist, dass vier Klemmglieder 400 vorgesehen sind, ist die Ausführungsform nicht auf die spezifische Anzahl von Klemmgliedern 400 beschränkt. Das heißt, die Anzahl der Klemmglieder 400 kann größer oder kleiner als vier sein. Zum Beispiel kann, wie in 8C, 8D und 10 gezeigt, die Anzahl der Klemmglieder 400 sechs betragen.
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3 ist eine Querschnittsansicht der Endplatten 110A und 110B und des Zellenstapels 122 von jeder von den Brennstoffzellen 100A und 100B, die in 1 und 2 gezeigt sind. Der Einfachheit der Beschreibung halber wird eine Veranschaulichung der Hülle 300, die in 1 gezeigt ist, und der Klemmglieder 400, die in 2 gezeigt sind, in 3 weggelassen. Die gleichen Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine doppelte Erklärung davon wird verzichtet.
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Jede von den Brennstoffzellen 100A und 100B kann zum Beispiel eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (oder eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC)) sein, die als eine Leistungsquelle zum Antreiben von Fahrzeugen am umfangreichsten untersucht wurde. Die Ausführungsform ist indes nicht auf irgendeine spezifische Form der Brennstoffzellen 100A und 100B beschränkt.
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Jede von den Brennstoffzellen 100A und 100B kann Endplatten 110A und 110B, Stromkollektoren 112A und 112B und einen Zellenstapel 122 umfassen.
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Der Zellenstapel 122 kann eine Vielzahl von Zelleneinheiten 122-1 bis 122-N umfassen, die in der ersten Richtung gestapelt sind. Hier ist „N“ eine positive Ganzzahl gleich 1 oder größer und kann in einem Bereich von mehreren Dutzend bis mehreren Hunderten liegen. „N“ kann zum Beispiel in einem Bereich von 100 bis 300 liegen, aber die Ausführungsform ist nicht auf irgendeinen spezifischen Wert von „N“ beschränkt.
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Jede Zelleneinheit 122-n (wo 1 ≤ n ≤ N) kann 0,6 Volt bis 1,0 Volt Elektrizität, im Durchschnitt 0,7 Volt Elektrizität, erzeugen. Somit kann „N“ gemäß der Stärke der von der Brennstoffzelle 100A oder 100B an eine Last zu liefernden Leistung bestimmt werden. Hier kann mit „Last“ ein Teil eines Fahrzeugs bezeichnet werden, der Leistung erfordert, wenn die Brennstoffzelle 100A oder 100B in einem Fahrzeug verwendet wird.
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Jede Zelleneinheit 122-n kann eine Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Assembly - MEA) 210, Gasdiffusionsschichten (Gas Diffusion Layers - GDLs) 222 und 224, Dichtungen 232, 234 und 236 und Separatoren (oder Bipolarplatten) 242 und 244 umfassen.
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Die Membranelektrodenanordnung 210 weist eine Struktur auf, in der Katalysatorelektrodenschichten, in denen eine elektrochemische Reaktion auftritt, an beiden Seiten einer Elektrolytmembran befestigt sind, durch die sich Wasserstoffionen bewegen. Insbesondere kann die Membranelektrodenanordnung 210 eine Polymerelektrolytmembran (oder eine Protonenaustauschmembran) 212, eine Brennstoffelektrode (eine Wasserstoffelektrode oder eine Anode) 214 und eine Luftelektrode (eine Sauerstoffelektrode oder eine Kathode) 216 umfassen. Außerdem kann die Membranelektrodenanordnung 210 überdies eine Unterdichtung 238 umfassen.
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Die Polymer-Elektrolyt-Membran 212 ist zwischen der Brennstoffelektrode 214 und der Luftelektrode 216 angeordnet.
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Wasserstoff, der der Brennstoff in der Brennstoffzelle 100A oder 100B ist, kann der Brennstoffelektrode 214 durch den ersten Separator 242 zugeführt werden, und Luft, die Sauerstoff als ein Oxidationsmittel enthält, kann der Luftelektrode 216 durch den zweiten Separator 244 zugeführt werden.
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Der der Brennstoffelektrode 214 zugeführte Wasserstoff wird von dem Katalysator in Wasserstoffionen (Protonen) (H+) und Elektronen (e-) zerlegt. Nur die Wasserstoffionen können selektiv durch die Polymer-Elektrolyt-Membran 212 zu der Luftelektrode 216 übertragen werden und gleichzeitig können die Elektronen durch die Separatoren 242 und 244, die Leiter sind, zu der Luftelektrode 216 übertragen werden. Um den vorhergehenden Vorgang auszuführen, muss eine Katalysatorschicht auf jede von der Brennstoffelektrode 214 und der Luftelektrode 216 aufgebracht werden. Die vorhergehend beschriebene Bewegung der Elektronen bewirkt, dass die Elektronen durch einen äußeren Draht fließen, wodurch Strom erzeugt wird. Das heißt, die Brennstoffzelle 100A oder 100B kann aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff, das Brennstoff ist, und in der Luft enthaltenem Sauerstoff Leistung erzeugen.
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In der Luftelektrode 216 treffen die Wasserstoffionen, die durch die Polymer-Elektrolyt-Membran 212 zugeführt werden, und die Elektronen, die durch die Separatoren 242 und 244 übertragen werden, Sauerstoff in der der Luftelektrode 216 zugeführten Luft, wodurch eine Reaktion bewirkt wird, die Wasser („Kondenswasser“ oder „Produktwasser“) erzeugt.
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In einigen Fällen kann die Brennstoffelektrode 214 als eine Anode bezeichnet werden und die Luftelektrode 216 kann als eine Kathode bezeichnet werden. Alternativ kann die Brennstoffelektrode 214 als eine Kathode bezeichnet werden und die Luftelektrode 216 kann als eine Anode bezeichnet werden.
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Die Gasdiffusionsschichten 222 und 224 dienen zum gleichförmigen Verteilen von Wasserstoff und Sauerstoff, die Reaktionsgase sind, und zum Übertragen der erzeugten elektrischen Energie. Zu diesem Zweck können die Gasdiffusionsschichten 222 und 224 an jeweiligen Seiten der Membranelektrodenanordnung 210 angeordnet sein. Das heißt, die erste Gasdiffusionsschicht 222 kann an der linken Seite der Brennstoffelektrode 214 angeordnet sein und die zweite Gasdiffusionsschicht 224 kann an der rechten Seite der Luftelektrode 216 angeordnet sein.
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Die erste Gasdiffusionsschicht 222 kann zum Diffundieren und gleichförmigen Verteilen von Wasserstoff dienen, der als ein Reaktandgas durch den ersten Separator 242 geliefert wird, und kann elektrisch leitfähig sein. Die zweite Gasdiffusionsschicht 224 kann zum Diffundieren und gleichförmigen Verteilen von Luft dienen, die als ein Reaktandgas durch den zweiten Separator 244 geliefert wird, und kann elektrisch leitfähig sein.
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Jede von der ersten und der zweiten Gasdiffusionsschicht 222 und 224 kann eine mikroporöse Schicht sein, in der feine Kohlenstofffasern kombiniert sind. Die Ausführungsform ist indes nicht auf irgendeine spezifische Ausgestaltung der ersten und der zweiten Gasdiffusionsschicht 222 und 224 beschränkt.
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Die Dichtungen 232, 234 und 236 können zum Aufrechterhalten der Luftdichtheit und des Klemmdrucks des Zellenstapels auf einem geeigneten Niveau gegenüber den Reaktandgasen und dem Kühlmittel dienen, um die Spannung zu verteilen, wenn die Separatoren 242 und 244 gestapelt sind, und um die Strömungswege unabhängig abzudichten. An sich kann, da die Luftdichtheit und Wasserdichtheit von den Dichtungen 232, 234 und 236 aufrechterhalten werden, die Flachheit der Oberflächen, die dem Zellenstapel 122 benachbart sind, der Leistung erzeugt, verwaltet werden und somit kann der Oberflächendruck gleichförmig über die Reaktionsoberfläche des Zellenstapels 122 verteilt werden.
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Die Separatoren 242 und 244 können dazu dienen, die Reaktandgase und das Kühlmedium zu bewegen und jede von den Zelleneinheiten von den anderen Zelleneinheiten zu trennen. Außerdem können die Separatoren 242 und 244 dazu dienen, die Membranelektrodenanordnung 210 und die Gasdiffusionsschichten 222 und 224 strukturell zu stützen und den erzeugten Strom zu sammeln und dem gesammelten Strom zu den Stromkollektoren 112A und 112B zu übertragen.
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Die Separatoren 242 und 244 können außerhalb der Gasdiffusionsschichten 222 beziehungsweise 224 angeordnet werden. Das heißt, der erste Separator 242 kann auf der linken Seite der ersten Gasdiffusionsschicht 222 angeordnet sein und der zweite Separator 244 kann auf der rechten Seite der zweiten Gasdiffusionsschicht 224 angeordnet sein.
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Der erste Separator 242 dient zum Zuführen von Wasserstoff als ein Reaktandgas zu der Brennstoffelektrode 214 durch die erste Gasdiffusionsschicht 222. Der zweite Separator 244 dient zum Zuführen von Luft als ein Reaktandgas zu der Luftelektrode 216 durch die zweite Gasdiffusionsschicht 224. Außerdem können jeder von dem ersten und dem zweiten Separator 242 und 244 einen Kanal bilden, durch den ein Kühlmedium (z. B. ein Kühlmittel) strömen kann. Überdies können die Separatoren 242 und 244 aus einem Material auf Graphitbasis, einem Verbundmaterial auf Graphitbasis oder einem Material auf Metallbasis gebildet werden. Die Ausführungsform ist indes nicht auf irgendein spezifisches Material der Separatoren 242 und 244 beschränkt.
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Die Endplatten 110A und 110B, die in 1 und 2 gezeigt sind, können an den zwei Enden 122E1 beziehungsweise 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet sein und können die Zelleneinheiten 122-1 bis 122-N stützen und fixieren. Das heißt, die erste Endplatte 110A kann an einem Ende 122E1 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet werden und die zweite Endplatte 110B kann an einem entgegengesetzten Ende 122E2 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet sein.
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Jede von den Endplatten 110A und 110B kann derart ausgestaltet sein, dass ein Metalleinsatz von einem spritzgegossenen Kunststoffprodukt umgeben ist. Der Metalleinsatz von jeder von den Endplatten 110A und 110B kann eine hohe Steifigkeit aufweisen, um dem inneren Oberflächendruck standzuhalten, und kann durch Bearbeiten eines Metallmaterials gebildet werden. Zum Beispiel kann jede von den Endplatten 110A und 110B durch Kombinieren einer Vielzahl von Platten gebildet werden. Die Ausführungsform ist indes nicht auf irgendeine spezifische Ausgestaltung der Endplatten 110A und 110B beschränkt.
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Die Stromkollektoren 112A und 112B können zwischen den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 und den inneren Oberflächen 110AI und 110BI der Endplatten 110A und 110B angeordnet sein, die jeweils an entgegengesetzten Seiten des Zellenstapels 122 angebracht sind. Die Stromkollektoren 112A und 112B dienen zum Sammeln der elektrischen Energie, die von dem Fließen von Elektronen in dem Zellenstapel 122 erzeugt wird, und zum Versorgen einer Last, die die Brennstoffzelle 100A oder 100B verwendet, mit der elektrischen Energie.
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Überdies kann die erste Endplatte 110A eine Vielzahl von Sammelrohren (oder verbundenen Abschnitten) M umfassen. Jeder von dem ersten und dem zweiten Separator 242 und 244, die in 3 gezeigt sind, kann Sammelrohre umfassen, die in der gleichen Form an den gleichen Positionen wie die Sammelrohre M der ersten Endplatte 110A gebildet sind, die in 1 und 2 gezeigt ist. Hier können die Sammelrohre M ein Einlasssammelrohr und ein Auslasssammelrohr umfassen. Wasserstoff und Sauerstoff, die Reaktandgase sind, die in der Membranelektrodenanordnung 210 erforderlich sind, können von außen durch das Einlasssammelrohr M in den Zellenstapel 122 eingeführt werden. Gas oder Flüssigkeit, in dem/der die Reaktandgase befeuchtet sind und der Zelle zugeführt werden, und das Kondenswasser, das in der Zelle erzeugt wird, werden kombiniert und können durch das Auslasssammelrohr M aus der Brennstoffzelle 100A oder 100B nach außen abgelassen werden. Das Kühlmedium kann von außen durch das Einlasssammelrohr M in den Zellenstapel 122 strömen und kann von dem Zellenstapel 122 durch das Auslasssammelrohr M nach außen strömen. Wie vorhergehend beschrieben, erlauben es die Sammelrohre M dem Fluid, in die und aus der Membranelektrodenanordnung 210 zu strömen.
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Außerdem können die Brennstoffzelle 100A oder 100B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung überdies eine Heizeinheit 500A oder 500B umfassen.
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4A bis 4C sind perspektivische Ansichten eines Beispiels der Heizeinheit 500A, die in der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 100A umfasst ist.
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5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil des äußeren Erscheinungsbilds einer Brennstoffzelle 100C gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 5 gezeigte Brennstoffzelle 100C ist die gleiche wie die in 2 gezeigte Brennstoffzelle 100B, mit der Ausnahme, dass ein Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520C an einer Position angeordnet ist, die sich von der Position unterscheidet, an der der in 2 gezeigte Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B angeordnet ist. Somit werden in 5 die gleichen Bauteile wie die in 2 gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C können dazu dienen, den Zellenstapel 122 zu heizen und können jeweils an den zwei Endseiten des Zellenstapels 122 angeordnet sein. Die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C können Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C und Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A, 520B und 520C umfassen.
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Die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A, 520B und 520C können jeweils an den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet sein. Die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A, 520B und 520C können eine Struktur aufweisen, die es erlaubt, die Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C darin einzubauen oder daraus herauszuziehen. Hier können die in die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A, 520B und 520C eingebauten Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A, 520B und 520C so montiert sein, dass sie sich an entgegengesetzten Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 befinden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C frei in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A, 520B und 520C eingebaut und daraus herausgezogen werden, während die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A, 520B und 520C an festen Positionen angeordnet sind.
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Die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A und 520B können jeweils in dem Raum zwischen einem Ende 122E1 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 und der ersten Endplatte 110A und dem Raum zwischen dem entgegengesetzten Ende 122E2 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 und der zweiten Endplatte 110B angeordnet sein. Zum Beispiel kann, wie in 2 gezeigt, der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B in dem Raum zwischen einem von den zwei Enden des Zellenstapels 122 und der zweiten Endplatte 110B angeordnet sein.
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Eine ausführlichere Beschreibung erfolgt nachfolgend unter Bezugnahme auf 3.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A und 520B jeweils in dem Raum ① zwischen der ersten Endplatte 110A und dem ersten Stromkollektor 112A und dem Raum (2) zwischen der zweiten Endplatte 110B und dem zweiten Stromkollektor 112B angeordnet sein.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520A und 520B jeweils in dem Raum ③ zwischen einem Ende 122E1 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 und dem ersten Stromkollektor 112A und dem Raum ④ zwischen dem entgegengesetzten Ende 122E2 von den zwei Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 und dem zweiten Stromkollektor 112B angeordnet sein.
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Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile einstückig mit den Endplatten 110A und 110B gebildet sein. Das heißt, die Heizeinheiten können als die Endplatten 110A und 110B dienen und können auch zum Heizen des Zellenstapels 122 dienen. Zum Beispiel kann, wie in 5 gezeigt, der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520C als die zweite Endplatte 110B dienen und kann auch zum Heizen des Zellenstapels 122 dienen. Der in 5 gezeigte Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520C kann an der Position der in 2 gezeigten zweiten Endplatte 110B angeordnet sein.
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Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können, obgleich dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile einstückig mit den Stromkollektoren 112A und 112B gebildet sein. Das heißt, die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile können als die Stromkollektoren 112A und 112B dienen und können auch zum Heizen des Zellenstapels 122 dienen.
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Außerdem können die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C überdies Leistungsverbindungsteile 530A und 530B und Abdeckungsteile 540A und 540B umfassen.
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Die Leistungsverbindungsteile 530A und 530B sind mit einer Antriebsleistungsquelle verbunden und dienen zum Versorgen der Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C mit Antriebsleistung. Das heißt, die Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B, und 510C können als Reaktion auf die Antriebsleistung Wärme erzeugen.
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Die Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C können ebene Heizelemente umfassen, die an den entgegengesetzten Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet sind und die mit den Leistungsverbindungsteilen 530A und 530B verbunden sind, um Wärme als Reaktion auf die Antriebsleistung zu erzeugen.
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6A, 6B und 6C sind Querschnittsansichten, die verschiedene Beispiele des ebenen Heizelements gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung zeigen.
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Das ebene Heizelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Heizung 512A (512B oder 512C) und einen Heizungsstützteil 514A (514B oder 514C) umfassen, der so angeordnet ist, dass er zumindest einen Abschnitt der Heizung 512A (512B oder 512C) umgibt.
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Wie in 6B gezeigt, kann die Heizung 512B als ein plattenförmiges Heizelement ausgeführt sein. Wie in 6C gezeigt, kann die Heizung 512C in einer Folienform gebildet sein.
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Der Heizungsstützteil 514A (514B oder 514C) kann mindestens eines von Metall, Keramik und/oder einem isolierenden Material umfassen. Zum Beispiel kann der in 6A gezeigte Heizungsstützteil 514A aus Keramik gebildet sein, kann der in 6B gezeigte Heizungsstützteil 514B mit einem isolierenden Material beschichtet sein, und kann der in 6C gezeigte Heizungsstützteil 514C aus einem Metallmaterial gebildet sein.
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Die Leistungsverbindungsteile 530A und 530B können an den Abdeckungsteilen 540A und 540B angeordnet sein. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 2 der Abdeckungsteil 540B eine erste Oberfläche 542 und eine zweite Oberfläche 544 umfassen. Die erste Oberfläche 542 kann der Oberfläche entsprechen, mit der der Wärmeerzeugungsteil 510B verbunden ist, und die zweite Oberfläche 544 kann die Oberfläche sein, die der ersten Oberfläche 542 entgegengesetzt ist. Wie in 2 und 5 gezeigt, kann der Leistungsverbindungsteil 530B an der zweiten Oberfläche 544 des Abdeckungsteils 540B angeordnet sein, aber die Ausführungsform ist nicht darauf beschränkt.
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Die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung können überdies Fixierungsteile 550A und 550B umfassen.
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7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Abschnitts „A“. 7 zeigt eine Ausgestaltung, in der die Heizeinheit 500A zwischen der ersten Endplatte 110A und dem Zellenstapel 122 angeordnet ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Fixierungsteil 550A der in 4A bis 4C gezeigten Heizeinheit 500A den Abdeckungsteil 540A abnehmbar an mindestens einem von den Endplatten 110A und 110B, den Stromkollektoren 112A und 112B und/oder der Hülle 300 sichern. Zu diesem Zweck kann der Fixierungsteil 550A eine Fixierungsplatte 550A1 und eine erste Fixierungsschraube 550A2 umfassen.
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Die Fixierungsplatte 550A1 kann mindestens eine Durchgangsöffnung H1 und H2 umfassen, die sich darin erstreckt, und kann eine Form aufweisen, die von dem Abdeckungsteil 540A hervorsteht. Die erste Fixierungsschraube 550A2 kann durch die Durchgangsöffnung H1 und H2 befestigt werden, um die Fixierungsplatte 550A1 an mindestens einem von den Endplatten 110A und 110B, den Stromkollektoren 112A und 112B und/oder der Hülle 300 zu sichern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können der Abdeckungsteil 540A, das ebene Heizelement 510A und der Leistungsverbindungsteil 530A einstückig beweglich sein. Daher können, wenn der Abdeckungsteil 540A von dem Fixierungsteil 550A gesichert wird, das ebene Heizelement 510A und der Leistungsverbindungsteil 530A auch damit gesichert werden. Wenn der Abdeckungsteil 540A nicht von dem Fixierungsteil 550A gesichert wird, können das ebene Heizelement 510A und der Leistungsverbindungsteil 530A aus dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520A herausgezogen werden.
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Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 7 die Fixierungsplatte 550A1 sich derart erstrecken, dass sie von dem Abdeckungsteil 540A in die erste Richtung hervorsteht und die erste Fixierungsschraube 550A2 durch die in 4B gezeigte Durchgangsöffnung H1 und H2 an dem Stromkollektor 112A befestigt ist, wodurch der Abdeckungsteil 540A, der mit der Fixierungsplatte 550A1 verbunden ist, zum Beispiel an dem Stromkollektor 112A gesichert werden kann. Danach kann, wenn die erste Fixierungsschraube 550A2 von dem Stromkollektor 112A gelöst wird, der Abdeckungsteil 540A auch von zum Beispiel dem Stromkollektor 112A gelöst werden.
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Wie in 7 veranschaulicht, kann die Hülle 300 eine Aufnahmeaussparung AH umfassen, die in dem Umfang des Wärmeerzeugungsteils 510A gebildet ist. Der Fixierungsteil 550A und der Leistungsverbindungsteil 530A können sich von dem Abdeckungsteil 540A erstrecken und können in der Aufnahmeaussparung AH in der Hülle 300 aufgenommen sein.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die in 2 und 5 gezeigten Fixierungsteile der Heizeinheiten 500B und 500C den Abdeckungsteil 540B abnehmbar an den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C sichern. Zu diesem Zweck kann das Fixierungsteil eine zweite Fixierungsschraube 550B2 umfassen.
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Der Abdeckungsteil 540B kann mindestens eine Durchgangsöffnung H3 und H4 umfassen und die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520B und 520C können mindestens eine Sacköffnung H5 und H6 umfassen. In diesem Fall kann die zweite Fixierungsschraube 550B durch die Durchgangslöcher H3 bis H6 an den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C befestigt sein, um den Abdeckungsteil 540B an den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C zu sichern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können der Abdeckungsteil 540B, die ebenen Heizelemente 510B und 510C und der Leistungsverbindungsteil 530B einstückig beweglich sein. Daher können, wenn der Abdeckungsteil 540B unter Verwendung der zweiten Fixierungsschraube 550B an den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C gesichert ist, auch die ebenen Heizelemente 510B und 510C und der Leistungsverbindungsteil 530B damit gesichert sein. Wenn der Abdeckungsteil 540B unter Verwendung der zweiten Fixierungsschraube 550B von den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C gelöst wird, können die ebenen Heizelemente 510B und 510C und der Leistungsverbindungsteil 530B von den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520B und 520C herausgezogen werden.
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Wie vorhergehend beschrieben, können die ebenen Heizelemente 510A, 510B und 510C in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A, 520B und 520C aufgenommen sein und können unter Verwendung der Fixierungsteile 550A und 550B daran gesichert sein oder können unter Verwendung der Fixierungsteile 550A und 550B aus den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A, 520B und 520C herausgezogen werden.
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Daher ist, wenn das Ersetzen der Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C gewünscht wird, es nicht erforderlich, die Hülle 300 zu entfernen oder die Klemmglieder 400 zu demontieren. Das heißt, der fixierte Zustand der Abdeckungsteile 540A und 540B aufgrund der Fixierungsteile 550A und 550B kann gelöst werden und anschließend können die Wärmeerzeugungsteile 510A, 510B und 510C aus den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A, 520B und 520C herausgezogen werden.
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Die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C können überdies Wärmeleitungsteile 560A und 560B umfassen. Obgleich eine Veranschaulichung des Wärmeleitungsteils 560B von der in 5 gezeigten Heizeinheit 500C weggelassen wurde, kann der Wärmeleitungsteil 560B, wie in 2 gezeigt, an dem Wärmeerzeugungsteil 510C angeordnet werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 4B dienen die Wärmeleitungsteile 560A1, 560A2 und 560B dazu, die Wärme von den Wärmeerzeugungsteilen 510A und 510B zum Umfang der Wärmeerzeugungsteile 510A und 510B zu leiten. Da die Wärmeübertragung von den Wärmeerzeugungsteilen 510A und 510B zu deren Umfang aufgrund der Wärmeleitungsteile 560A1, 560A2 und 560B gefördert wird, kann der Heizwirkungsgrad der Heizeinheiten 500A und 500B verbessert werden.
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Zum Beispiel ist es unter Bezugnahme auf 4B, da die Wärmeübertragung von dem Wärmeerzeugungsteil 510A in den von den Pfeilen AR1 und AR2 angegebenen Richtungen gefördert wird, möglich, einen Bereich mit Wärme zu versorgen, der anderenfalls von einer schlechten Wärmeübertragung gekennzeichnet ist. Unter Bezugnahme auf 4C, ist die Richtung, in der Wärme von dem Wärmeleitungsteil 560A1 geleitet wird, von dem Pfeil AR3 angegeben.
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Der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520A der Brennstoffzelle 100A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, wie in 4B gezeigt, kann eine erste Region A1, zweite Regionen A21 und A22 und dritte Regionen A31 und A32 umfassen.
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Nachfolgend kann die erste Region A1 als eine Region, die dem Ende 122E1 oder 122E2 des Zellenstapels 122 zugewandt ist, und eine Region definiert werden, in der der Wärmeerzeugungsteil (z. B. 510A) montiert ist. Die Vielzahl von zweiten Regionen A21 und A22 kann als Regionen, in denen die Sammelrohre M gebildet sind, und Regionen definiert werden, die einander mit der dazwischen angeordneten ersten Region A1 entgegengesetzt sind. Jede von der Vielzahl von dritten Regionen A31 und A32 kann als eine Region definiert werden, die zwischen der ersten Region A1 und einer entsprechenden von der Vielzahl von zweiten Regionen A21 und A22 angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung können die Wärmeleitungsteile 560A1 und 560A2 in den dritten Regionen A31 und A32 angeordnet werden.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann das Wärmeleitungsteil 560B, wie in 2 gezeigt, zwischen dem Wärmeerzeugungsteil 510B, das ein ebenes Heizelement ist, und den Enden 122E1 und 122E2 des Zellenstapels 122 angeordnet werden.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele 100D bis 100G der Brennstoffzelle 100B, die die Klemmglieder 400 anstatt der Hülle 300 umfasst, wie in 2 und 5 gezeigt, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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8A bis 8D sind Draufsichten der Brennstoffzellen 100D bis 100G gemäß noch anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
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Der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B, der in 8A bis 8D gezeigt ist, kann die gleiche Funktion wie der in 2 gezeigte Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B durchführen und kann eine erste Seite 520S1 und eine zweite Seite 520S2 umfassen, die der ersten Seite 520S1 entgegengesetzt ist. Einige von den Klemmstegen 410 bis 460 können an der ersten Seite 520S1 angeordnet sein. Die übrigen von den Klemmstegen 410 bis 460 können an einer der ersten Seite 520S1 entgegengesetzten Seite, d. h. der zweiten Seite 520S2, angeordnet sein. Jede von den in 8A und 8B gezeigten Ausgestaltungen umfasst, wie in 2 und 5 gezeigt, vier Klemmstege 400 (410 bis 440), während jede von den in 8C und 8D gezeigten Ausgestaltungen sechs Klemmstege 400 (410 bis 460) umfasst.
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Zum Beispiel kann, wie in 8A und 8B gezeigt, der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eine erste Seite 520S1, auf der einige Klemmstege 410 und 420 von den Klemmstegen 410 bis 440 angebracht sind, und eine zweite Seite 520S2 umfassen, auf der die übrigen 430 und 440 von den Klemmstegen 410 bis 440 angebracht sind. Alternativ kann, wie in 8C und 8D gezeigt, der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eine erste Seite 520S1, auf der einige Klemmstege 410, 420 und 450 von den Klemmstegen 410 bis 460 angebracht sind, und eine zweite Seite 520S2 umfassen, auf der die übrigen 430, 440 und 460 von den Klemmstegen 410 bis 460 angebracht sind.
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Mindestens eine von der ersten Seite 520S1 oder der zweiten Seite 520S2 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B kann mindestens eine Öffnung (oder einen Schlitz) umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Wie in 8A gezeigt, kann die erste Seite 520S1 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B eine Öffnung OP2 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B2 darin oder sein Herausziehen daraus zu erlauben, und die zweite Seite 520S2 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B kann eine Öffnung OP1 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B1 darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Wie in 8B gezeigt, kann die erste Seite 520S1 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B eine Öffnung OP3 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B3 darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen, und die zweite Seite 520S2 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B kann eine Öffnung OP4 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B4 darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Wie in 8C gezeigt, kann die erste Seite 520S1 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B eine Öffnung OP5 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B2 darin oder sein Herausziehen daraus zu erlauben, und die zweite Seite 520S2 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B kann eine Öffnung OP6 umfassen, die sich darin erstreckt, um das Einbauen des Wärmeerzeugungsteils 510B1 darin oder sein Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Wie in 8D gezeigt, kann die erste Seite 520S1 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B Öffnungen OP7 und OP8 umfassen, die sich darin erstrecken, um das Einbauen der Wärmeerzeugungsteile 510B5 und 510B6 darin oder ihr Herausziehen daraus zu ermöglichen, und die zweite Seite 520S2 des Wärmeerzeugungsteil-Stützteils 520B kann Öffnungen OP9 und OP10 umfassen, die sich darin erstrecken, um das Einbauen der Wärmeerzeugungsteile 510B7 und 510B8 darin oder ihr Herausziehen daraus zu ermöglichen.
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Der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B kann eine erste Region, eine zweite Region und eine vierte Region umfassen. Die vorhergehend beschriebene Definition der ersten und zweiten Regionen kann auf die Brennstoffzellen 100D bis 100G angewandt werden, die in 8A bis 8D gezeigt sind. Die vierte Region kann als eine Region, die zwischen der ersten Region und der zweiten Region angeordnet ist, und eine Region definiert werden, in der die Klemmglieder derart angeordnet sind, dass sie einander entgegengesetzt sind.
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Der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B, der in 8A und 8B gezeigt ist, kann eine erste Region A1, zwei zweite Regionen A21 und A22 und zwei vierte Regionen A41 und A42 umfassen.
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Der in 8C und 8D gezeigte Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B kann zwei erste Regionen A11 und A12, zwei zweite Regionen A21 und A22 und drei vierte Regionen A41, A42 und A43 umfassen.
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Wie in 8A und 8B gezeigt, kann eine Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen 510B1 und 510B2 oder eine Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen 510B3 und 510B4 in einer ersten Region A1 so angeordnet werden, dass sie voneinander beabstandet sind. Alternativ kann, wie in 8C gezeigt, der Wärmeerzeugungsteil 510B1 in einer A11 von den zwei ersten Regionen A11 und A12 angeordnet werden, und der Wärmeerzeugungsteil 510B2 kann in der anderen A12 von den zwei ersten Regionen A11 und A12 angeordnet sein. Alternativ können, wie in 8D gezeigt, die Wärmeerzeugungsteile 510B5 und 510B7 in einer A11 von den zwei ersten Regionen A11 und A12 angeordnet sein, und die Wärmeerzeugungsteile 510B6 und 510B8 können in der anderen A12 von den zwei ersten Regionen A11 und A12 angeordnet sein.
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Wie in 8A, 8B, 8C und 8D gezeigt, ist es möglich, den Zellenstapel 122 durch verschiedenes Einstellen der Positionen und der Größen der Wärmeerzeugungsteile 510B1 bis 510B8 effizient zu heizen.
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Die Wärmeerzeugungsteile 510A und 510C können in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteilen 520A und 520C auf die gleiche Weise angeordnet sein, wie in 8A bis 8D gezeigt.
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9A und 9B sind perspektivische Ansichten einer Brennstoffzelle 100H gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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9A zeigt den Zustand, in dem die Wärmeerzeugungsteile 510B9 und 510B10 in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eingebaut sind, und 9B zeigt den Zustand, in dem die Wärmeerzeugungsteile 510B9 und 510B10 aus dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B herausgezogen sind, oder den Zustand, bevor die Wärmeerzeugungsteile 510B9 und 510B10 in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eingebaut werden. In 9A und 9B sind die gleichen Bauteile wie diejenigen der Brennstoffzelle 100B, die in 2 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine doppelte Erklärung davon wird verzichtet. Wenn der Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B, der in 9A und 9B gezeigt ist, mit dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520C ersetzt wird, der in 5 gezeigt ist, kann die folgende Beschreibung auch darauf angewandt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann, wie in 2 gezeigt, ein Abdeckungsteil 540B mit einem Wärmeerzeugungsteil 510B verbunden werden und nur ein Wärmeerzeugungsteil 510B kann aus dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B herausgezogen werden. Da, wie in 8A bis 8C gezeigt, ein Abdeckungsteil 540B1 bis 540B4 mit einem Wärmeerzeugungsteil 510B1 bis 510B4 verbunden ist, kann nur ein Wärmeerzeugungsteil 510B1 bis 510B4 in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eingebaut oder daraus herausgezogen werden.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann, wie in 8D, 9A und 9B gezeigt, ein Abdeckungsteil 540B mit einer Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen verbunden werden. Das heißt, wie in 8D gezeigt, kann ein Abdeckungsteil 540B5 mit der Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen 510B5 und 510B6 verbunden werden und ein Abdeckungsteil 540B6 kann mit der Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen 510B7 und 510B8 verbunden werden. Wie in 9A und 9B gezeigt, kann ein Abdeckungsteil 540B mit der Vielzahl von Wärmeerzeugungsteilen 510B9 und 510B10 verbunden werden.
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10 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle 1001 gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
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In den Brennstoffzellen 100B bis 100H, die in 2, 5, 8A bis 8D, 9A und 9B gezeigt sind, überlappen die Öffnungen (z. B. OP1 bis OP10, die in 8A bis 8D gezeigt sind), durch die die Wärmeerzeugungsteile 510B (510B1 bis 510B10) und 510C der Heizeinheiten 500B, 500C und 5001 in die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520B und 520C eingebaut werden oder daraus herausgezogen werden, die Klemmglieder 400 nicht. Das heißt, es ist nicht erforderlich, die Klemmglieder 400 (410 bis 460) zu entfernen, um die Wärmeerzeugungsteile 510B (510B1 bis 510B10) und 510C in die Wärmeerzeugungsteil-Stützteile 520B und 520C einzubauen oder daraus herauszuziehen.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann in der Brennstoffzelle 100I, die in 10 gezeigt ist, die Öffnung OP11, durch die das Wärmeerzeugungsteil 5101 der Heizeinheit 5001 in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eingebaut oder daraus herausgezogen wird, einige von den Klemmgliedern 400 (z. B. ein Klemmglied 470) überlappen. In diesem Fall ist es erforderlich, das Klemmglied 470, das die Öffnung OP11 überlappt, zu entfernen, um den Wärmeerzeugungsteil 5101 in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B einzubauen oder daraus herauszuziehen. Bis auf diese Ausgestaltung ist die Brennstoffzelle 100I, die in 10 gezeigt ist, die gleiche wie die Brennstoffzelle 100B, die in 2 gezeigt ist. Somit sind die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und auf eine doppelte Erklärung davon wird verzichtet.
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Nachfolgend werden eine Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel und die Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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11 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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Die in 11 gezeigte Brennstoffzelle umfasst eine Endplatte 10, einen Zellenstapel 22, Klemmstege 40 und eine Heizung 50. Die Endplatte 10, der Zellenstapel 22, die Klemmstege 40 und die Heizung 50 führen die gleiche Funktion wie die Endplatte 110B, der Zellenstapel 122, die Klemmglieder 400, beziehungsweise die Heizeinheit 500A bis 500C und 5001 durch.
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In der Brennstoffzelle gemäß dem Vergleichsbeispiel wird die Heizung 50 zwischen der Endplatte 10 und dem Zellenstapel 22 eingesetzt.
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In diesem Fall müssen, wenn die Heizung 50 ausfällt, die Klemmstege 40 vollständig von der Brennstoffzelle entfernt werden, um den Zellenstapel 22 zu demontieren, und der Zellenstapel 22 muss wieder zusammengebaut werden, nachdem die defekte Heizung 50 ersetzt wurde, was Unannehmlichkeiten bei dessen Verwendung und Wartung zur Folge hat. Überdies kann in dem Fall des Vergleichsbeispiels, in dem die Heizung 50 zwischen der Endplatte 10 und dem Zellenstapel 22 eingesetzt ist, sogar wenn die Heizung 50 nicht ausfällt, die Klemmkraft des Zellenstapels 22 aufgrund der Verschlechterung des Materials der Heizung 50 vermindert werden, was einen außerplanmäßigen Austausch der Heizung 50 erforderlich macht. Überdies kann sich, wenn sämtliche von den Klemmgliedern entfernt werden, um die Heizung 50 auszutauschen, die Leistung der Brennstoffzelle verändern und somit müssen verschiedene Aspekte der Leistung der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Luftdichtheit und Ausgangsleistung, erneut geprüft werden. Zu diesem Zweck kann teure Ausrüstung zur Leistungsbewertung, wie beispielsweise elektronische Lastausrüstung, erforderlich sein, die Leistungstestzeit kann sich aufgrund des Verfahrens zum Einspritzen und Ablassen von Kühlmittel verlängern und die Laborkosten, die für die Tests erforderlich sind, können steigen.
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Wenn hingegen im Fall der Brennstoffzelle 100A bis 100H gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung der Austausch des Wärmeerzeugungsteils 510A, 510B (510B1 bis 510B10) und 510C der Heizeinheit 500A bis 500C gewünscht wird, wird lediglich der Wärmeerzeugungsteil 510A, 510B (510B1 bis 510B10) und 510C aus dem fixierten Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520A, 520B und 520C herausgezogen und wird mit einem neuen ersetzt, und der neue Wärmeerzeugungsteil wird in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520A, 520B und 520C eingebaut. Somit ist es nicht erforderlich, die Hülle 300 oder die Klemmglieder 400 zu entfernen, um den Wärmeerzeugungsteil auszutauschen. Alternativ werden in dem Fall der Brennstoffzelle 100I gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung, wenn der Austausch des Wärmeerzeugungsteils 5101 der Heizeinheit 5001 gewünscht wird, nur einige (z. B. 470) von den Klemmgliedern 400 entfernt, anstatt sämtliche von den Klemmgliedern 400 zu entfernen, wird lediglich der Wärmeerzeugungsteil 5101 aus dem Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B herausgezogen und wird mit einem neuen ersetzt, wird der neue Wärmeerzeugungsteil in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil 520B eingebaut und wird nur das entfernte Klemmglied 470 erneut montiert. Somit ist es, anders als im Vergleichsbeispiel, nicht erforderlich, viele Inspektionspunkte, wie beispielsweise Luftdichtheit und Ausgangsleistung, zu überprüfen. Folglich ist es in dem Fall der Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung möglich, den Austausch des Wärmeerzeugungsteils 510A, 510B (510B1 bis 510B10) und 510C zu bewerkstelligen, ohne die Ausgangsleistung zu überprüfen, wodurch Investitionskosten und die zur Wartung erforderliche Zeit und Arbeit verringert werden.
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Das heißt, wie vorhergehend beschrieben, ist es gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung möglich, die Zeit, Kosten und Arbeit, die für den Austausch des Wärmeerzeugungsteils 510A, 510B (510B1 bis 510B10), 510C und 5101 erforderlich sind, im Vergleich zum Vergleichsbeispiel zu verringern. Sogar wenn die Luftdichtheitsleistung nach dem Demontieren des Zellenstapels 22 und Austauschen der Heizung 50 untersucht wird, kann die Luftdichtheitsleistung verschlechtert sein. Da indes gemäß der Brennstoffzelle der Ausführungsform der Zellenstapel 122 nicht demontiert wird, ist es möglich, das vorhergehende Problem von Grund auf zu verhindern.
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Wenn ein Fahrzeug, das mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet ist, in der eine Vielzahl von Zelleneinheiten 122-1 bis 122-N gestapelt sind, bei einer niedrigen Temperatur (z. B. unter null) gestartet wird, muss die Temperatur der Brennstoffzelle auf eine Temperatur steigen, die zum Fahren des Fahrzeugs geeignet ist. In diesem Fall hängt die Zeit, die zum Erhöhen der Temperatur der Vielzahl von Zelleneinheiten 122-1 bis 122-N erforderlich ist, von den Positionen der Zellen ab. Insbesondere weil die Zellen 122-1 und 122-N, die an den zwei Enden des Zellenstapels 122 positioniert sind, eine große Menge an Wärme nach außen ableiten, ist deren Temperaturanstiegsrate niedrig, wodurch die Gesamtzeit, die zum Start des Fahrzeugs erforderlich ist, verlängert werden kann.
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Daher sind in dem Fall der Brennstoffzelle 100A bis 1001 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C an den zwei Enden der Brennstoffzelle angeordnet, wodurch die Zeit, die zum Starten eines Fahrzeugs erforderlich ist, das mit der Brennstoffzelle ausgerüstet ist, verkürzt und Wärmeverlust verhindert werden.
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In dem Fall, in dem die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C außerhalb der Klemmeinrichtung (z. B. der Hülle 300 oder des Klemmglieds 400) angeordnet sind, durchquert die Wärme, die zu den Zellen geleitet wird, zwangsläufig die Klemmeinrichtung. Somit kann es erforderlich sein, die Kapazität der Heizeinheiten zu erhöhen, um unerwünschten Wärmeverlust auszugleichen.
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Im Fall der Brennstoffzelle 100A bis 100I gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann, da die Heizeinheiten 500A, 500B und 500C nahe an den Zellen (z. B. in Kontakt mit den Zellen) im Inneren der Klemmeinrichtung angeordnet sind, die Rate des Temperaturanstiegs der Brennstoffzelle erhöht werden und die Kapazität der Heizeinheiten 500A, 500B und 500C kann verringert werden.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird gemäß einer Brennstoffzelle der Ausführungsform, wenn der Austausch eines Wärmeerzeugungsteils einer Heizeinheit gewünscht ist, nur der Wärmeerzeugungsteil aus einem fixierten Wärmeerzeugungsteil-Stützteil herausgezogen und wird mit einem neuen ersetzt und der neue Wärmeerzeugungsteil wird in den Wärmeerzeugungsteil-Stützteil eingebaut. Somit ist es nicht erforderlich, eine Hülle oder Klemmglieder zu entfernen, um den Wärmeerzeugungsteil auszutauschen. Alternativ werden nur einige von den Klemmgliedern entfernt. Folglich ist es möglich, die Zeit, Kosten und Arbeit, die für den Austausch des Wärmeerzeugungsteils erforderlich sind, in hohem Maße zu verringern. Überdies ist es durch die Anwendung eines Wärmeleitungsteils möglich, den Heizwirkungsgrad der Heizeinheit zu verbessern, die Rate des Temperaturanstiegs zu erhöhen, die Kapazität der Heizeinheit zu verringern, die für den Start eines mit einer Brennstoffzelle ausgerüsteten Fahrzeugs erforderliche Zeit zu verkürzen und Wärmeverlust zu verhindern.
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Die vorhergehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, ohne von der Aufgabe der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, es sei denn, diese stehen im Widerspruch zueinander. Darüber hinaus wird für jedes Element von einer beliebigen von den verschiedenen Ausführungsformen, das nicht ausführlich beschrieben ist, auf die Beschreibung des Elements einer anderen Ausführungsform verwiesen, das das gleiche Bezugszeichen aufweist.
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Obgleich die vorliegende Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele davon gezeigt und beschrieben wurde, werden diese Ausführungsformen lediglich zu veranschaulichenden Zwecken vorgeschlagen und schränken die vorliegende Offenbarung nicht ein, und für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen an Form und Einzelheit vorgenommen werden können, ohne von den wesentlichen Merkmalen der hier dargelegten Ausführungsformen abzuweichen. Zum Beispiel können entsprechende in den Ausführungsformen dargelegte Ausgestaltungen abgewandelt und angewandt werden. Überdies sollten Unterschiede bei solchen Abwandlungen und Anwendungen als in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallend, wie von den anhängigen Patentansprüchen definiert, ausgelegt werden.
