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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, in der ein Haftmittel verwendet wird.
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Technischer Hintergrund
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Bislang hat eine Zelleneinheit einer Festpolymer-Brennstoffzelle aus einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die einen Elektrolytfilm und ein Paar von Elektroden beinhaltet, die zwischen dem Elektrolytfilm sandwichartig angeordnet sind, und einem Paar von Separatoren bestanden, zwischen denen die MEA sandwichartig angeordnet ist (siehe z. B. die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift
JP 2002-367631 A ). Jeder Separator der Zelleneinheit ist mit Zuführverteilern und Abführverteilern für ein Oxidationsgas und ein Brenngas versehen. In einer Oxidationsgasleitung von dem einen Separator strömt das Oxidationsgas vom Zuführverteiler zum Abführverteiler. In einer Brenngasleitung des anderen Separators strömt das Brenngas vom Zuführverteiler zum Abführverteiler.
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Ein Bereich zwischen dem Separatorenpaar und ein Bereich zwischen dem Separator und dem Elektrolytfilm sind mit einer flüssigen Dichtung (einem Haftmittel) abgedichtet, die entlang dem äußeren Umfang der Zelleneinheit angeordnet ist. In einem jeweiligen Separator sind Ansammlungsabschnitte in sowohl dem inneren Umfangsbereich als auch dem äußeren Umfangsbereich einer Abdichtungsfläche ausgebildet, die mit dem Haftmittel versehen ist. Die Ansammlungsabschnitte verhindern, dass das Haftmittel während eines Fertigungsvorgangs der Zelleneinheit in die Verteiler oder aus der Zelleneinheit heraus gelangt und ähnliches.
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Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle ist aus der
JP 11-312528 A bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei anderen Bauteilen mit Ausnahme der vorstehenden Verteiler und dergleichen kann es aufgrund eines austretenden Haftmittels gelegentlich zu Problemen kommen. Bislang ist dieser Punkt in Untersuchungen jedoch nicht ausreichend berücksichtigt worden. Somit bestünde die Möglichkeit, dass ein Haftmittel in einen Gasverbindungsweg strömt, der den Verteiler mit einer Gasleitung verbindet, so dass der Gasverbindungsweg dadurch verschlossen wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die in der Lage ist, das Heraustreten bzw. Austreten des Haftmittels in den Gasverbindungsweg zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des Anspruchs 1. Hierbei wird, zur Lösung der vorstehenden Aufgabe eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die aufweist: eine Gasleitung in einem Leistungserzeugungsbereich; einen Verteiler in einem Nichtleistungserzeugungsbereich; einen Gasverbindungsweg, der die Gasleitung und den Verteiler miteinander verbindet, und eine Dichtungsnut die in der Nähe von zumindest dem Gasverbindungsweg positioniert ist und in der ein Haftmittel bereitgestellt ist. Die Brennstoffzelle hat ferner einen Haftmittel-Ansammlungsabschnitt, der derart in der Nähe des Gasverbindungswegs angeordnet ist, dass ein Einströmen des Haftmittels in den Gasverbindungsweg verhindert wird, wobei der Haftmittelansammlungsabschnitt zwischen der Dichtungsnut und dem Gasverbindungsweg ausgebildet ist.
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Selbst wenn die benötigte oder eine größere Menge eines Haftmittels in der Nähe des Gasverbindungswegs verwendet wird, kann bei diesem Aufbau der Haftmittelansammlungsabschnitt vorzugsweise das Heraustreten des Haftmittels in den Gasverbindungsweg verhindern. Folglich kann die Verringerung des Leitungsquerschnitts des Gasverbindungswegs oder ein Verschluss des Wegs verhindert werden.
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Die Dichtungsnut steht mit dem Haftmittelansammlungsabschnitt in Verbindung, so dass das Haftmittel durch die Dichtungsnut und den Haftmittelansammlungsabschnitt strömt.
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Selbst wenn das überschüssige Haftmittel aus der Dichtungsnut überläuft, kann bei diesem Aufbau das Haftmittel aus der Dichtungsnut in den Haftmittelansammlungsabschnitt strömen.
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Die Brennstoffzelle umfasst weiter ein erstes Element, das mit zumindest dem Haftmittelansammlungsabschnitt und der Dichtungsnut versehen ist; und ein zweites Element auf, das auf das erste Element geschichtet ist und mit dem ersten Element durch das Haftmittel verbunden ist. Das erste Element weist einen Verbindungsbereich, der zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und der Dichtungsnut ausgebildet ist, so dass das Haftmittel zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und der Dichtungsnut strömt, und einen Lagerungsbereich auf, der das zweite Element lagert.
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Ursprünglich handelt es sich bei dem Haftmittelansammlungsabschnitt um einen Bereich, der nicht mit dem Haftmittel befüllt ist, und somit kann zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und dem zweiten Element ein Zwischenraum ausgeführt werden. Wenn daher eine von außen einwirkende Kraft auf das zweite Element ausgeübt wird, wirkt aufgrund dieses Zwischenraums ein großer Druck auf das zweite Element, und das zweite Element könnte dadurch verformt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert der den vorstehenden Aufbau aufweisende Lagerungsbereich als ein Sicherungselement für das zweite Element, so dass die Verformung des zweiten Elements verhindert werden kann. Da der Verbindungsbereich zwischen dem Haftmittelansammlungsabschnitt und der Dichtungsnut angeordnet ist, kann die Strömungsbewegung des Haftmittels in den Haftmittelansammlungsabschnitt sichergestellt werden.
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Gemäß einer zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Haftmittelansammlungsabschnitt um eine Nut, die tiefer ausgeführt ist als die Dichtungsnut.
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Selbst wenn eine große Menge eines Haftmittels aus der Dichtungsnut überläuft, kann bei diesem Aufbau das Haftmittel vorzugsweise in dem Haftmittelansammlungsabschnitt aufgenommen werden.
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Gemäß einer zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem ersten Element um ein rahmenartiges Element, das einen Teil einer MEA lagert, und bei dem zweiten Element um einen Separator, der mit der Gasleitung versehen ist.
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Folglich kann an der Position des Haftmittelansammlungsabschnitts des rahmenartigen Elements verhindert werden, dass der Separator verformt wird, und darüber hinaus kann die Strömungsbewegung des Gases durch den Gasverbindungsweg und die Gasleitung sichergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung weist die Brennstoffzelle ein drittes Element, das auf das zweite Element auf einer dem ersten Element gegenüberliegenden Seite geschichtet ist, und ein Dichtungselement auf, mit dem ein Bereich zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element abgedichtet ist. Ein Teil des Dichtungselements ist an einer Position angeordnet, die dem Lagerungsbereich entspricht und von dem Verbindungsbereich in der Schichtungsrichtung des ersten, zweiten und dritten Elements abweicht.
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Wenn ein Teil des Dichtungselements an einer Position angeordnet ist, die von dem Lagerungsbereich des ersten Elements abweicht und die dem Verbindungsbereich entspricht, könnte eine von außen in der Schichtungsrichtung einwirkende Kraft das zweite Element verformen, so dass der Verbindungsbereich verschlossen wird. Gemäß dem vorstehenden Aufbau der vorliegenden Erfindung kann jedoch, selbst wenn die von außen in der Schichtungsrichtung einwirkende Kraft ausgeübt wird, die Verformung des zweiten Elements durch den Lagerungsbereich verhindert und der Leitungsquerschnitt des Verbindungsbereichs zuverlässig aufrechterhalten werden.
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Gemäß einer zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Element um Elemente, die eine erste Zelleneinheit darstellen, und bei dem dritten Element handelt es sich um ein Element, das eine zweite Zelleneinheit darstellt.
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Obgleich bei diesem Aufbau das Heraustreten bzw. Austreten des Haftmittels in den Gasverbindungsweg und die Verformung des zweiten Elements verhindert werden kann, können die Zelleneinheiten aneinander geschichtet werden.
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Gemäß einer zu bevorzugenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung sind die Haftmittelansammlungsabschnitte zu beiden Seiten des Gasverbindungswegs positioniert und erstrecken sich in der gleichen Richtung wie eine Gasströmungsrichtung in dem Gasverbindungsweg.
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Bei diesem Aufbau kann zu beiden Seiten des Gasverbindungswegs das Heraustreten des Haftmittels in den Gasverbindungsweg verhindert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt;
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine Zelleneinheit der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
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3 ist eine Schnittansicht, die die Zelleneinheit der Brennstoffzelle gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
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4 ist eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete Struktur gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
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5 ist eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete Struktur gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt;
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6 ist eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete Struktur gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform darstellt;
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7 ist eine Draufsicht, die einen Teil eines Harzrahmens aus der Pfeilrichtung des Linie VII-VII von 6 darstellt, und ein Diagramm, das eine Sicherungsstruktur eines Separators darstellt;
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8 eine Schnittansicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete Struktur gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform darstellt; und
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9 ist eine Draufsicht, die eine um einen Gasverbindungsweg herum angeordnete Struktur gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform darstellt, wobei die Draufsicht ähnlich der von 7 ist.
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Beste Art und Weise des Ausführens der Erfindung
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Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen einer Brennstoffzelle. Der Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Die Brennstoffzelle ist hierbei eine für ein Fahrzeug geeignete Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Ein die Brennstoffzelle beinhaltendes Brennstoffzellensystem kann nicht nur an einem Fahrzeug angebracht werden, sondern auch an einer mobilen Karosserie mit Selbstantrieb, wie z. B. einem Schiff, einem Flugzeug oder einem Roboter, und es kann auch als ein stationäres Leistungserzeugungssystem verwendet werden.
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<Erste Ausführungsform>
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Wie in 1 gezeigt ist, weist eine Brennstoffzelle 1 eine Schichtungsstapelstruktur auf, in der eine große Anzahl von Zelleneinheiten 2 als Grundeinheiten nebeneinander geschichtet sind. Die Brennstoffzelle 1 weist einen Aufbau auf, in dem Kollektorplatten 5, Isolierplatten 6 und Endplatten 7 aufeinanderfolgend außerhalb der Zelleneinheiten 2 angeordnet sind, die an beiden Enden der Stapelstruktur positioniert sind. Die Endplatten 7, 7 sind beispielsweise durch eine Spannplatte 9 miteinander verbunden, und die Brennstoffzelle 1 gelangt in einen Zustand, in dem eine vorbestimmte Kompressionslast in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgeübt wird. Zwischen einem Paar von plattenartigen Elementen 12, 12 sind elastische Module angeordnet, die beispielsweise eine Schraubenfeder beinhalten, die eine Haltekraft (Druckbelastung) auf die Brennstoffzelle 1 ausübt.
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Ein Brenngas, Oxidationsgas und Kühlmittel werden der Brennstoffzelle 1 aus den Zuführkanälen 15a, 16a und 17a der Endplatte 7 so zugeführt, dass sie in der Zellenschichtungsrichtung und in der planaren Richtung der Zelleneinheiten 2 strömen. Danach werden das Brenngas, das Oxidationsgas und das Kühlmittel aus der Brennstoffzelle 1 durch Abführkanäle 15b, 16b und 17b der Endplatte 7 abgeführt.
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In diesem Fall handelt es sich bei dem Brenngas um ein Wasserstoffgas (ein Anodengas), das einen Wasserstoff beinhaltet. Außerdem handelt es sich bei dem Oxidationsgas um ein Gas (ein Kathodengas), das ein Oxidationsmittel beinhaltet, das beispielsweise Sauerstoff sein kann. Für das Brenngas und das Oxidationsgas wird gelegentlich der Oberbegriff Reaktionsgas verwendet. Bei dem Kühlmittel handelt es sich beispielsweise um ein Kühlwasser.
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Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet eine jeweilige Zelleneinheit 2 eine MEA 20, ein Paar von Separatoren 22A, 22B und ein Paar von Harzrahmen 24A, 24B. In der Zelleneinheit 2 sind der Separator 22A, der Harzrahmen 24A, die MEA 20, der Harzrahmen 24B und der Separator 22B in eben dieser Reihenfolge aneinandergeschichtet. Ferner werden die äußeren Umfangskanten dieser Elemente in einem Fertigungsvorgang durch ein Haftmittel aneinander befestigt, und die Bereiche zwischen den Elementen werden dadurch abgedichtet.
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Die MEA 20 (die Membranelektrodenanordnung) besteht aus einem Elektrolytfilm 30 und einem Paar von Elektroden 32A, 32B (einer Anode und einer Kathode), zwischen denen der Elektrolytfilm 30 sandwichartig angeordnet ist.
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Der Elektrolytfilm 30 besteht aus einer Ionenaustauschmembran. Der Elektrolytfilm 30 weist eine Funktion zum Bewegen der aus dem Brenngas zugeführten Wasserstoffionen von der Elektrode 32A zur Elektrode 32B auf. Der Elektrolytfilm 30 ist so ausgebildet, dass er größer ist als die Elektroden 32A, 32B, und er ist mit den Elektroden 32A, 32B zusammengefügt, während eine Umfangskante 34 beispielsweise durch einen Heißpressvorgang ausgespart bleibt.
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Wie in 3 gezeigt ist, besteht eine jeweilige der Elektroden 32A, 32B aus einer Diffusionsschicht 36 und einer Katalysatorschicht 38. Die Diffusionsschicht 36 besteht beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial. Als Katalysator für die Katalysatorschicht 38 wird z. B. vorzugsweise Platin verwendet, und die Katalysatorschicht 38 ist mit der Diffusionsschicht 36 verbunden.
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Die Diffusionsschicht 36 der Elektrode 32A ist gegenüber einer Brenngasleitung 40 des Separators 22A angeordnet und dient dazu, das Brenngas hindurchzuleiten, und außerdem dazu, die Katalysatorschicht 38 mit dem Separator 22A elektrisch zu verbinden. Die Diffusionsschicht 36 der Elektrode 32B ist einer Oxidationsgasleitung 42 des Separators 22B angeordnet, und dient dazu, das Oxidationsgas hindurchzuleiten, und außerdem dazu, die Katalysatorschicht 38 mit dem Separator 22B elektrisch zu verbinden.
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Die Separatoren 22A, 22B sind aus einem leitfähigen, gasundurchlässigen Material gefertigt. Beispiele für das leitfähige Material beinhalten Kohlenstoff, ein leitfähiges Hartharz sowie Metalle wie Aluminium und rostfreien Stahl. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den Separatoren 22A, 22B um sogenannte Metallseparatoren, die jeweils ein Basismaterial beinhalten, das aus einem plattenartigen Metall gefertigt ist. Die Fläche des Basismaterials, das der Elektrode 32A oder 32B gegenüberliegt, kann mit einem Film beschichtet sein, der eine Korrosionsbeständigkeit aufweist, die viel besser ist als die des Basismaterials.
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Der Separator 22A weist auf seiner Oberfläche die Brenngasleitung 40 auf, und auf seiner Rückseite eine Kühlmittelleitung 44A. Der Separator 22B weist auf seiner Oberfläche die Oxidationsgasleitung 42 und auf seiner Rückseite die Kühlmittelleitung 44B. Die Brenngasleitung 40, die Oxidationsgasleitung 42 und die Kühlmitteleitung 44A, 44B sind als eine Mehrzahl von nutenartigen Leitungen ausgebildet, bei denen es sich um gerade Leitungen handelt, in denen sich ein sich wiederholendes Konkav-Konvex-Muster in einer Richtung erstreckt. Diese Leitungen können jedoch auch serpentinenartige Leitungen sein, die auf halber Strecke Wendebereiche aufweisen.
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Durch die Brenngasleitung 40 wird der Elektrode 32A ein Brenngas zugeführt. Die Oxidationsleitung 42 führt der Elektrode 32B das Oxidationsgas zu. Das durch die Brenngasleitung 40 strömende Brenngas und das durch die Oxidationsgasleitung 42 strömende Oxidationsgas bewirken in der MEA 20 eine elektrochemische Reaktion, um die elektromotorische Kraft der Zelleneinheit 2 zu erhalten. Bei zwei benachbarten Zelleneinheiten 2, 2 ist die Kühlmittelleitung 44A einer der Zelleneinheiten 2 mit der Kühlmittelleitung 44B der anderen Zelleneinheit 2 verbunden. Folglich ist die Leitung zum Zuführen des Kühlmittels zwischen den Zelleneinheiten 2 und 2 ausgebildet. Das Kühlmittel verringert die Wärme der Zelleneinheiten 2, die durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, und unterdrückt den Temperaturanstieg der Brennstoffzelle 1.
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Die Brenngasleitung 40 und die Kühlmittelleitung 44A auf beiden Oberflächen des Separators 22A werden durch Pressformen des Separators 22A gleichzeitig ausgebildet, und die Oxidationsgasleitung 42 und die Kühlmittelleitung 44B auf beiden Oberflächen des Separators 22B werden ebenfalls durch Pressformen des Separators 22B gleichzeitig ausgebildet. Das heißt, dass die Separatoren 22A, 22B in einer derartigen Beziehung zueinander stehen, dass die konkav-konvexen Formen, die die Fluidleitungen ausbilden, auf der Oberfläche und auf der Rückseite umgekehrt zueinander angeordnet sind.
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In einer Draufsicht weisen die Separatoren 22A, 22B eine rechtwinkelige Form auf. Die Separatoren 22A, 22B weisen um die Brenngasleitung 40 und die Oxidationsgasleitung 42 herum Umfangskanten 26A, 26B auf.
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In einem Seitenbereich einer jeweiligen der Umfangskanten 26A, 26B sind Verteiler 51a, 52a und 53a auf der Zuführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den einen Seitenbereich hindurch erstrecken. Außerdem sind in dem anderen Seitenbereich einer jeweiligen der Umfangskanten 26A, 26B die Verteiler 51b, 52b und 53b auf der Abführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den anderen Seitenbereich hindurch erstrecken. Diese Verteiler 51a bis 53a und 51b bis 53b stehen mit den Zuführkanälen 15a bis 17a und den Abführkanälen 15b bis 17b der vorstehenden Endplatten 7 in Verbindung, so dass sie mit den Fluiden, wie z. B. dem Brenngas, dem Oxidationsgas und dem Kühlmittel, korrespondieren.
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Die Harzrahmen 24A, 24B sind zu einer rahmenartigen Form ausgebildet. Zwischen den Harzrahmen 24A, 24B ist zumindest ein Teil der MEA 20, beispielsweise die Umfangskante 34 der Vorder- und Rückseite derselben, sandwichartig angeordnet. Außerdem sind die Harzrahmen 24A, 24B zusammen mit der MEA 20 zwischen den Separatoren 22A und 22B sandwichartig angeordnet.
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Die Harzrahmen 24A, 24B üben hauptsächlich eine Funktion des Haltens der MEA 20, eine Funktion eines Abstandhalters zwischen den Separatoren 22A und 22B zum Unterstützen der Haltekraft, eine Funktion des Verstärkens der Steifigkeit der Separatoren 22A, 22B, eine Funktion eines Isolierelements und eine Funktion des Einführens und Abführens des Reaktionsgases in und aus dem Leistungserzeugungsbereich auf.
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Die Harzrahmen 24A, 24B weisen Öffnungen 60A, 60B auf, um jeweils die Elektroden 32A, 32B aufzunehmen. Die Öffnungen 60A, 60B sind jeweils gegenüber der Brenngasleitung 40 und der Oxidationsgasleitung 42 angeordnet. Die Harzrahmen 24A, 24B weisen um die Öffnungen 60A, 60B herum Umfangskanten 66A, 66B auf.
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In einem Seitenbereich einer jeweiligen der Umfangskanten 66A, 66B sind Verteiler 61a, 62a und 63a auf der Zuführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den einen seitlichen Bereich hindurch erstrecken. Außerdem sind in dem anderen Seitenbereich einer jeweiligen der der Umfangskanten 66A, 66B Verteiler 61b, 62b und 63b auf der Abführseite des Brenngases, des Oxidationsgases und des Kühlmittels so ausgebildet, dass sie sich durch den anderen Seitenbereich hindurch erstrecken. Diese Verteiler 61a, 62a und 63a sind mit den Verteilern 51a, 52a und 53a in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgerichtet und mit diesen verbunden, und die Verteiler 61b, 62b und 63b sind mit den Verteilern 51b, 52b und 53b in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgerichtet und mit diesen verbunden.
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Außerdem ist die Umfangskante 66A auf der Einführseite und der Abführseite des Brenngases mit Verbindungswegen 70 und 72 versehen. Der Verbindungsweg 70 auf der Einführseite ist so angeordnet, dass er sich direkt in den Verteiler 61a und die Öffnung 60A öffnet, und der Verbindungsweg 72 auf der Abführseite ist so angeordnet, dass er sich direkt in den Verteiler 61b und die Öffnung 60A öffnet. Daher sorgt in der Zelleneinheit 2 der Verbindungsweg 70 für die Verbindung der Verteiler 51a, 61a mit den Brenngasleitungen 40. Der Verbindungsweg 72 verbindet die Verteiler 51b, 61b mit den Brenngasleitungen 40.
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Desgleichen ist die Umfangskante 66B mit Verbindungswegen 80 und 82 auf der Einführseite und der Abführseite des Oxidationsgases versehen. Der Verbindungsweg 80 auf der Einführseite verbindet den Verteiler 62a mit der Öffnung 60B. Daher verbindet in der Zelleneinheit 2 der Verbindungsweg die Verteiler 52a, 62a mit den Oxidationsgasleitungen 42. Der Verbindungsweg 82 auf der Abführseite verbindet den Verteiler 62b mit der Öffnung 60B und verbindet somit die Verteiler 52b, 62b mit den Oxidationsgasleitungen 42.
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Gemäß einem derartigen Aufbau strömt beispielsweise das Brenngas, das in die Zelleneinheit 2 eingeführt worden ist, vom Verteiler 51a in den Verteiler 61a, und ein Teil des Gases strömt vom Verteiler 61a durch den Verbindungsweg 70, um in die Brenngasleitungen 40 zu strömen. Danach strömt das Brenngas, das in der Leistungserzeugung der MEA 20 verwendet wird, durch den Verbindungsweg 72, um den Verteiler 61b zu erreichen, und wird aus der Zelleneinheit 2 durch den Verteiler 51b abgeführt. Es ist zu beachten, dass das Kühlmittel von den Verteilern 53a, 53b in die Kühlmittelleitungen 44A, 44B durch die in den Separatoren 22A, 22B ausgebildeten Verbindungswege (nicht gezeigt) zugeführt/abgeführt wird.
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An dieser Stelle werden die Begriffe „Leistungserzeugungsbereich” und „Nichtleistungsbereich” für deren Verwendung in den Ansprüchen ergänzend beschrieben.
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Bei dem Begriff „Leistungserzeugungsbereich” handelt es sich um einen Bereich, in dem die Zelleneinheit 2 eine Leistung erzeugen kann, und er ist insbesondere ein Bereich, der der Elektrode 32A oder 32B entspricht. Der Begriff „Leistungserzeugungsbereich” der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Brenngasleitung 40 und die Oxidationsgasleitung 42 der Separatoren 22A, 22B und die Öffnungen 60A, 60B der Harzrahmen 24A, 24B.
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Der Begriff „Nichtleistungserzeugungsbereich” ist ein Bereich, der von dem vorstehenden Leistungserzeugungsbereich abweicht, das heißt, er ist ein Bereich, wo die Zelleneinheit 2 keine Leistung erzeugt. In dem „Nichtleistungserzeugungsbereich” sind die Elektroden 32A, 32B nicht vollständig vorhanden oder es ist nur ein minimaler Bereich einer jeweiligen Elektrode vorhanden. Der „Nichtleistungserzeugungsbereich” der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet all die vorstehenden Verteiler 51a bis 53a, 51b bis 53b, 61a, bis 63a und 61b bis 63b.
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Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf 4 eine ausführliche Beschreibung einer um den Verbindungsweg des Reaktionsgases angeordneten Struktur.
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Wie vorstehend beschrieben handelt es sich bei den Verbindungswegen des Reaktionsgase um die Verbindungswege 70, 72 des Brenngases und die Verbindungswege 80, 82 des Oxidationsgases. Die nachstehend beschriebene, um den Verbindungsweg herum angeordnete Struktur kann auf all diese Verbindungswege 70, 72, 80 und 82 angewendet werden. An dieser Stelle erfolgt eine beispielhafte Beschreibung der um den Verbindungsweg 70 des Brenngases herum angeordneten Struktur.
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Der Verbindungsweg 70 ist zu einer ausgesparten Form auf der Oberfläche des Verbindungswegs ausgebildet, der dem Separator 22A gegenüberliegt. Insbesondere beinhaltet der Verbindungsweg 70 eine Mehrzahl von beispielsweise vier nutartigen Leitungen 70a, 70b, 70c und 70d. An der Oberseite befindliche Oberflächen 72a, 72b, 72c, 72d und 72e der Bereiche, die die Leitungen 70a, 70b, 70c und 70d voneinander trennen sollen, gelangen mit der Fläche des Separators 22A in Kontakt.
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Ein Haftmittel 100 wird so bereitgestellt, dass es den Separator 22A und den Harzrahmen 24A entlang dem gesamten Umfang miteinander am Rand verbindet. Das Haftmittel 100 befindet sich ursprünglich beispielsweise in einem flüssigen Zustand und härtet aus, wenn es erwärmt wird oder man es eine vorbestimmte Zeit stehenlässt, so dass es seine Binde- bzw. Haftkraft ausüben kann. Das Haftmittel 100 wird beispielsweise durch Beschichten in einer Dichtungsnut 110 aufgetragen.
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Die Dichtungsnut 110 ist in dem Harzrahmen 24 so ausgebildet, dass die Dichtungsnut einem Verbindungs- bzw. Haftbereich entspricht, in dem das Haftmittel 100 verwendet wird. Die Dichtungsnut 110 ist in der Nähe des Verbindungswegs 70 ausgebildet. Insbesondere sind die Dichtungsnuten 110 in der Nähe der Außenseiten der Leitungen 70a, 70d an beiden Enden des Verbindungswegs ausgebildet.
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Zwischen der Dichtungsnut 110 und der Leitung 70a ist ein Ansammlungsabschnitt 120 ausgebildet, und ein Ansammlungsabschnitt 122 ist zwischen der Dichtungsnut 110 und der Leitung 70d ausgebildet. Die Ansammlungsabschnitte 120 und 122 verhindern, dass das Haftmittel 100 in die Leitungen 70a und 70d strömt.
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Die Ansammlungsabschnitte 120, 122 sind nutenartige, ausgesparte Bereiche und erstrecken sich in der gleichen Richtung wie die Leitungen 70a, 70d. Ein Ende eines jeweiligen Ansammlungsabschnitts 120, 122 in einer Erstreckungsrichtung öffnet sich genauso wie im Verbindungsweg 70 vorzugsweise direkt in die Öffnung 60A. Die Ansammlungsabschnitte 120, 122 sind mit der Dichtungsnut 110 derart verbunden, dass das Haftmittel 100 durch sie beide hindurchströmt. Folglich kann das überschüssige Haftmittel 100 in der Dichtungsnut 110 in die Ansammlungsabschnitte 120, 122 strömen. Wandflächen 130, 132 der Ansammlungsabschnitte 120, 122 können sich vorzugsweise auf der Seite der Dichtungsnut 110 derart neigen, dass das Haftmittel 100 ohne Weiteres in die Ansammlungsabschnitte 120, 122 strömen kann.
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Die Ansammlungsabschnitte 120, 122 können beliebig tief sein, doch handelt es sich bei diesen vorzugsweise um Nuten, die tiefer sind als die Dichtungsnut 110. Folglich kann, selbst wenn eine große Menge Haftmittels 100 aus der Dichtungsnut 110 herausströmt, das Haftmittel 100 in den Ansammlungsabschnitten 120, 122 aufgenommen werden, und das Austreten des Haftmittels 100 in die Leitungen 70a, 70d kann verhindert werden. Es ist zu beachten, dass, wie es in der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, die Nuttiefen der Ansammlungsabschnitte 120, 122 kleiner sein können als die Tiefe des Verbindungswegs 70.
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Wie vorstehend beschrieben, sind die vorstehenden Ansammlungsabschnitte 120, 122 gemäß der um den Verbindungsweg 70 herum angeordneten Struktur der vorliegenden Ausführungsform angeordnet. Selbst wenn somit die notwendige Menge Haftmittels 100 oder eine größere Menge Haftmittels 100 in der Nähe des Verbindungswegs 70 verwendet wird, können die Ansammlungsabschnitte 120, 122 das Austreten des Haftmittels 100 in den Verbindungsweg 70 verhindert. Daher kann eine Verringerung des Leitungsquerschnitts des Verbindungswegs 70 oder ein Verschluss des Wegs verhindert und die Zuführung des Brenngases zur Brenngasleitung 40 sichergestellt werden.
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<Zweite Ausführungsform>
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Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 5 bis 7 hauptsächlich eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen einer zweiten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform ist, im Unterschied zur vorstehenden Ausführungsform eine Sicherungsstruktur vorgesehen, um die Verformung eines Separators zu verhindern. Es ist zu beachten, dass der Aufbau in der zweiten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen ist wie der dazu identische Aufbau in der ersten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung der zweiten Ausführungsform verzichtet werden kann. Außerdem erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels für eine um einen Ansammlungsabschnitt 122 herum angeordnete Struktur, doch ist das Beispiel selbstverständlich auch auf eine um einen Ansammlungsabschnitt 120 herum angeordnete Struktur anwendbar.
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5 ist eine Schnittansicht, die eine um einen Verbindungsweg 70 angeordnete Struktur gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt.
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Wie in 5 gezeigt ist, ist ein Bereich zwischen einem Separator 22A von einer Zelleneinheit 2 von benachbarten Zellen und einem Separator 22B der anderen Zelleneinheit 2 mit einer Dichtung 150 (einem Dichtungselement) abgedichtet. Die Dichtung 150 ist an einer Position angeordnet, die dem Verbindungsweg 70 in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 entspricht. Insbesondere ist die Dichtung 150 so angeordnet, dass sie die Oberseite der Leitungen 70a bis 70d des Verbindungswegs 70 lateral schneidet (wobei hierbei zu beachten ist, dass die Leitung 70a weggelassen worden ist).
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Wie vorstehend beschrieben, wird während der Verwendung einer Brennstoffzelle 1 eine vorbestimmte Druckbelastung in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 ausgeübt. Daher wirkt bei Betrachtung von der Oberfläche des Separators 22B eine von außen einwirkende Kraft, die in 5 gezeigt ist, auf die Oberfläche des Separators 22B. Durch diese von außen einwirkende Kraft kann eine große Spannung auf einen Bereich 160 des Separators 22A wirken, der dem Ansammlungsabschnitt 122 entspricht, und somit könnte dadurch der Separator 22A verformt werden. Ein Grund, warum eine derartige Verformung auftritt, ist, dass es sich bei dem Ansammlungsabschnitt 122 ursprünglich um einen Bereich handelt, der nicht mit einem Haftmittel 100 befüllt ist und der selbst dann als ein Raum bestehen kann, nachdem das Haftmittel 100 angewendet worden ist.
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Zur Lösung der Aufgabe ist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 6 und 7 gezeigt ist, die Sicherungsstruktur zum Verhindern der Verformung des Separators 22A vorgesehen.
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Wie in 6 und 7 gezeigt ist, weist ein Harzrahmen 24A Verbindungsbereiche 170, 172 und einen Lagerungsbereich 174 zwischen einer Dichtungsnut 110 und dem Ansammlungsabschnitt 122 auf.
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Die Verbindungsbereiche 170, 172 verbinden die Dichtungsnut 110 mit dem Ansammlungsabschnitt 122, so dass das Haftmittel 100 zwischen denselben hindurchströmen kann. Die Verbindungsbereiche 170, 172 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Lagerungsbereichs 174 angeordnet und in Bezug auf den Separator 22A konkav ausgebildet. Die Verbindungsbereiche 170, 172 weisen willkürlich tiefe Nuten auf, und die Tiefenabmessungen können auf eine Nuttiefe angesetzt werden, die gleich der der Dichtungsnut 110 ist. Bevorzugt fallen die Verbindungsbereiche 170, 172 von der Seite der Dichtungsnut 110 zur Seite des Ansammlungsabschnitts 122 nach unten ab.
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Die Positionen, Größen und die Anzahl der Verbindungsbereiche 170, 172 können auf willkürliche Werte angesetzt werden. Die Verbindungsbereiche 170, 172 sind jedoch vorzugsweise an Positionen angeordnet, die von der Position abweichen, die der Dichtung 150 in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 entspricht. In anderen Worten ist es zu bevorzugen, dass die Dichtung 150 nicht rechts über den Verbindungsbereichen 170, 172 angeordnet ist. Selbst wenn in diesem Fall die von außen einwirkende Kraft in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 wirkt und der Bereich, der der Dichtung 150 entspricht, verformt wird, müssen sich dadurch die Leitungsquerschnitte der Verbindungsbereiche 170, 172 nicht verkleinern.
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Der Separator 22A wird durch den Lagerungsbereich 174 gelagert. Die obere Fläche des Lagerungsbereichs 174 weist eine Höhenabstand auf, der gleich dem der oberen Flächen (z. B. 72d und 72e) ist, die die Leitungen des Verbindungswegs 70 definieren, und gelangt mit der Fläche des Separators 22A in Kontakt. Der Lagerungsbereich 174 ist an der Position angeordnet, die der Dichtung 150 in der Schichtungsrichtung der Zelleneinheiten 2 entspricht. In anderen Worten ist die Dichtung 150 rechts oberhalb des Lagerungsbereichs 174 so angeordnet, dass sie den Lagerungsbereich 174 lateral schneidet. Der Lagerungsbereich 174 kann somit an einer Position angeordnet sein, auf den der Lastdruck durch die Dichtung 150 wirkt.
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In diesem Fall ist die Breite des Lagerungsbereichs 174 als eine Breite La angesetzt, die gleich der der oberen Fläche 72e ist, und die Breite der Leitung 70d ist als eine Breite Lb angesetzt, die gleich der des Ansammlungsabschnitts 122 ist. Ein Grund dafür, warum auf diese Art und Weise die gleiche Breite angesetzt wird, ist folgender: Wird berücksichtigt, dass der Separator 22A an der Position nicht verformt wird, die dem Verbindungsweg 70 entspricht, wenn eine Beziehung ähnlich der zwischen der Nutbreite (Lb) und der herausragenden Breite (La) im Verbindungsweg 70 auf beiden Seiten des Verbindungswegs 70 vorgesehen ist, sollte die Verformung des Separators 22A in den Bereichen auf beiden Seiten eigentlich verhindert werden können. Einem Entwurf mit derart identischen Breiten entsprechend wirkt der Lagerungsbereich 174 effektiv der von außen einwirkende Kraft entgegen, und die Verformung des Separators 22A kann verhindert werden. Es ist zu beachten, dass die Breiten des Lagerungsbereichs 174 und des Ansammlungsabschnitts 122 entsprechend ausgeführt werden können.
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Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß der der vorliegenden Ausführungsform die Verformung des Separators 22A zwischen der Dichtungsnut 110 und dem Ansammlungsabschnitt 122 verhindert werden, da der Lagerungsbereich 174 als ein Sicherungselement für den Separator 22A dient. Da außerdem die Verbindungsbereiche 170, 172 bereitgestellt sind, kann die Strömungsbewegung des Haftmittels 100 aus der Dichtungsnut 110 in den Ansammlungsabschnitt 122 sichergestellt werden, und das Heraustreten des Haftmittels 100 in den Verbindungsweg kann unterdrückt werden.
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<Dritte Ausführungsform>
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Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 8 hauptsächlich eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen gemäß einer dritten Ausführungsform. Bei der dritten Ausführungsform ist, als Unterschied zur ersten Ausführungsform, eine Nutattrappe 180 vorgesehen. Es ist zu beachten, dass der Aufbau in der dritten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen ist wie der dazu identische Aufbau in der ersten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung der dritten Ausführungsform verzichtet werden kann. Außerdem erfolgt eine Beschreibung eines Beispiels für eine um einen Ansammlungsabschnitt 122 herum angeordnete Struktur, doch ist das Beispiel selbstverständlich auch auf eine um einen Ansammlungsabschnitt 120 herum angeordnete Struktur anwendbar.
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Die Nutattrappe 180 ist zwischen einer Leitung 70d am Ende eines Verbindungswegs 70 und dem Ansammlungsabschnitt 122 angeordnet. Die Nutattrappe 180 weist im Wesentlichen die gleiche Form wie die der Leitung 70d auf, doch unterscheidet sich ihre Länge zu der der Leitung. Das heißt, dass die Nutattrappe 180 sich in der gleichen Richtung erstreckt wie die Leitung 70d, und zwar dermaßen, dass die Nutattrappe sich nicht direkt in einen Verteiler 61a oder eine Öffnung 60A öffnet. Die Breite der Nutattrappe 180 kann bei einer Breite angesetzt werden, die der des Ansammlungsabschnitts 122 oder der Leitung 70d entspricht. Eine obere Fläche 182 eines heraustretenden Bereichs, der die Nutattrappe 180 und den Ansammlungsabschnitt 122 definiert, gelangt mit einem Separator 22A in Kontakt. Die Breite der oberen Fläche 182 kann bei einer Breite angesetzt sein, die gleich der einer oberen Fläche 72e ist.
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Der vorteilhafte Effekt der vorliegenden Ausführungsform, der sich von dem der ersten Ausführungsform unterscheidet, liegt darin, dass, selbst wenn überschüssiges Haftmittel 100 aufgetragen wird, das Heraustreten des Haftmittels in den Verbindungsweg 70 durch die Nutattrappe 180 zuverlässig verhindert werden kann. Dies bedeutet, dass während eines Montageschritts der Zelleneinheiten 2 eine etwas zu große Menge Haftmittel 100 aufgetragen werden kann.
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<Vierte Ausführungsform>
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Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 9 hauptsächlich eine Beschreibung unterschiedlicher Betrachtungsweisen gemäß einer vierten Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform sind, im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform, an beiden Enden eines Ansammlungsabschnitts 122 Grenzschichten 190, 191 ausgebildet. Der weitere Aufbau ist mit dem der zweiten Ausführungsform identisch, und somit kann an dieser Stelle von einer Beschreibung des Aufbaus abgesehen werden.
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Die Grenzschichten 190, 191 sind an beiden Enden des Ansammlungsabschnitts 122 in der Erstreckungs- bzw. Verlaufsrichtung des Ansammlungsabschnitts positioniert. Die Grenzschichten 190, 191 sind so ausgebildet, dass die Strömungsbewegung eines Haftmittels 100 aus den Verbindungsbereichen 170, 172 in den leeren Raum (einen Raum, in dem das Haftmittel 100 aufgenommen werden kann) des Ansammlungsabschnitts 122 nicht beeinträchtigt wird bzw. sichergestellt ist.
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Die Grenzschicht 190 ist von der unteren Fläche des Ansammlungsabschnitts 122 zu einem Separator 22A in der vertikalen Richtung angeordnet, um den unbefüllten bzw. leeren Raum des Ansammlungsabschnitts 122 von einem Verteiler 61a aus direkt abzuschließen. Die Grenzschicht 191 ist hingegen von der unteren Fläche des Ansammlungsabschnitts 122 in der vertikalen Richtung zum Separator 22A angeordnet, um den unbefüllten bzw. leeren Raum des Ansammlungsabschnitts 122 von einer Öffnung 60A aus direkt abzuschließen. Die oberen Flächen der Grenzschichten 190, 191 sind bei einem Höhenabstand positioniert, der gleich dem einer oberen Fläche 72e ist.
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Die Grenzschichten 190, 191 stören die zwischen dem Verteiler 61a und der Brenngasleitung 40 durch den leeren bzw. unbefüllten Raum des Ansammlungsabschnitts 122 hindurch erfolgende Strömungsbewegung des Brenngases. Es ist zu beachten, dass die Positionen der Grenzschichten 190, 191 nicht auf die beiden Enden des Ansammlungsabschnitts 122 begrenzt sind und willkürlich angesetzt werden können. Das heißt, dass ein Grenzschichtbereich, der die Strömungsbewegung des Brenngases zwischen dem Verteiler 61a und den Brenngasleitungen 40 durch den unbefüllten Raum des Ansammlungsabschnitts 122 hindurch stört, in dem Ansammlungsabschnitt 122 ausgebildet werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, neben der Funktion und Wirkweise der zweiten Ausführungsform, verhindert werden, dass das Haftmittel 100, das sich in dem Ansammlungsabschnitt 122 angesammelt hat, durch den Verteiler 61a und die Brenngasleitungen 40 strömt. Es ist zu beachten, dass die Struktur der vorliegenden Ausführungsform selbstverständlich auch auf die Strukturen der ersten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform angewendet werden kann.
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<Modifizierung>
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Die Brennstoffzelle 1 gemäß der vorstehenden ersten bis dritten Ausführungsformen kann auch auf die nachstehende Modifizierung angewendet werden.
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Anstelle des Haftmittels 100 können alle Element der Zelleneinheit 2 jeweils unter Verwendung eines Formungsmaterials gesichert werden. Auch in diesem Fall können die Ansammlungsabschnitte 120, 122 verhindern, dass das Formungsmaterial in den Verbindungsweg 70 gelangt.
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Die Verbindungswege 70 und 72 für das Reaktionsgas und die Verbindungswege 80 und 82 können in den Separatoren 22A, 22B ausgebildet sein. In diesem Fall können auch die Ansammlungsabschnitte 120 und 122 in den Separatoren 22A, 22B ausgebildet sein.
