DE102013225733A1

DE102013225733A1 - Metallischer separator für eine brennstoffzelle, brennstoffzellenstapel mit selbiger und dichtungsanordnung mit dem brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102013225733A1
Application number: DE102013225733.3A
Authority: DE
Inventors: Sang Mun Jin
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US20140162164A1; KR20140076377A; KR101416390B1; CN103872361A

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt, welcher eine Dichtungsanordnung 70 aufweist, welche zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 10 und einem Randbereich des metallischen Separators 20 zwischenliegend angeordnet ist. Insbesondere wird der metallische Separator 20 aus einer ersten metallischen Platte 21 und einer zweiten metallischen Platte 31 gebildet, welche miteinander verschweißt sind, und ein oder mehrere gekrümmte Bereiche 61, welche symmetrisch zueinander sind, sind um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten 21, 31 herum ausgebildet. Die Dichtungsanordnung 70 wird dann zwischen einer Membran-Elektroden-Anordnung 10 und dem Randbereich des metallischen Separators 20 eingebaut, mit dem gekrümmten Bereich 61 dazwischen.

Description

HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, und genauer einen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle zum Verbessern der Luftdichtheit einer Brennstoffzelle, und eine Dichtungsanordnung, welche bei dem metallischen Separator für die Brennstoffzelle angewandt wird.
(b) Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Art von System zur Energiegewinnung zum direkten Umwandeln von chemischer Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie. Für gewöhnlich wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche als Einheitszellen bezeichnet werden, aufeinandergestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, welcher eine Anordnung für die Erzeugung von Elektrizität schafft.
Im Betrieb erzeugt die Brennstoffzelle elektrische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, und weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und Separatoren auf, welche derart angeordnet sind, damit sie in engem Kontakt mit beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung sind, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung dazwischen liegend angeordnet ist.
Derjenige Separator, welcher in engem Kontakt mit einer anodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung ist, kann als eine anodische Platte definiert werden, und derjenige Separator, welcher in engem Kontakt mit einer kathodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung ist, kann als eine kathodische Platte definiert werden.
Die anodische Platte ist mit einem Kanal für Brennstoff versehen, um der anodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung auf einer Oberfläche (im Folgenden als eine ”Reaktionsoberfläche” zur Erleichterung der Beschreibung bezeichnet) Wasserstoff als einen Brennstoff bereitzustellen. Die anodische Platte weist einen Kühlkanal zum Verteilen eines Kühlmediums in der anderen Oberfläche auf (im Folgenden als eine ”Kühlfläche” zur Erleichterung der Beschreibung bezeichnet).
Ebenso ist die kathodische Platte mit einem Kanal für Oxidationsmittel versehen, um der kathodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung auf einer Oberfläche (im Folgenden als eine ”Reaktionsoberfläche” zur Erleichterung der Beschreibung bezeichnet) Luft bereitzustellen, welche ein Oxidationsmittel ist. Die kathodische Platte ist mit einem Kühlkanal zum Verteilen des Kühlmediums auf der anderen Oberfläche versehen (im Folgenden als eine ”Kühlfläche” zur Erleichterung der Beschreibung bezeichnet).
Die vorstehend erläuterte anodische Platte und die kathodische Platte können mit dem Kanal für Brennstoff und dem Kanal für Oxidationsmittel auf den jeweiligen Reaktionsoberflächen und die Kühlkanäle auf den jeweiligen Kühlflächen mittels Umformen einer metallischen Platte versehen sein. Hier sind die Kühlkanäle, welche auf den Kühlflächen der anodischen Platte und der kathodischen Platte ausgebildet sind, miteinander vereint, während die Kühlflächen der anodischen Platte und der kathodischen Platte in engem Kontakt miteinander sind, so dass ein Kühlungsdurchgang, durch welchen das Kühlmedium fließen kann, zwischen der anodischen Platte und der kathodischen Platte gebildet wird.
In diesem Fall kann eine Gruppe, in welcher die anodische Platte und die kathodische Platte in engem Kontakt miteinander sind, als ein metallischer Separator für die Brennstoffzelle festgelegt werden.
Um einen Brennstoffzellenstapel durch das Stapeln einer Vielzahl von vorstehend erwähnten Brennstoffzellen zu konfigurieren, muss unterdessen die Luftdichtheit zwischen den Reaktionsoberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem metallischen Separator und zwischen den Kühlflächen der metallischen Separatoren beibehalten werden. Zu diesem Zweck kann eine Dichtung zwischen den Reaktionsoberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem metallischen Separator und zwischen den Kühlflächen der metallischen Separatoren ausgebildet sein. Diese Dichtung wird für gewöhnlich an den Rändern auf beiden Oberflächen der anodischen Platte und der kathodischen Platte integral spritzgegossen.
Das vorstehend erwähnte Verfahren des Spritzgießens der Dichtung kann den Separator aufgrund von dem Einspritzdruck und einer Oberflächenverunreinigung des Separators, welche während eines Vernetzungsprozess gebildet wird, jedoch verformen und besitzt ebenfalls eine Begrenzung bei einer Gestaltung der Form der Dichtung, so dass es schwierig ist, die Luftdichtheit des gesamten Brennstoffzellenstapels zu verbessern.
Die in diesem Abschnitt zum Hintergrund offenbarten obigen Informationen dienen nur zum Erleichtern des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und er kann deshalb Informationen enthalten, die keinen Stand der Technik bilden, welche dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in einem Bemühen gemacht, einen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welcher in der Lage ist, die Luftdichtheit mit einer einfachen Konfiguration zu verbessern, die Produktivität zu steigern, und einen Defekt des Separators zu verringern.
Insbesondere stellt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen metallischer Separator für eine Brennstoffzelle zur Verfügung, welcher auf beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet ist, in welcher der metallische Separator für die Brennstoffzelle durch das Verschweißen von ersten und zweiten metallischen Platten miteinander gebildet wird, welche zu Anfang voneinander getrennt sind, und ein oder mehrere gekrümmte Bereiche, welche symmetrisch zueinander sind, sind um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten herum ausgebildet.
Zudem kann eine Oberfläche der ersten metallischen Platte als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet sein, welche einen ersten Kanal für Reaktionsgas besitzt, und die andere Oberfläche kann als eine Kühlfläche ausgebildet sein, welche einen Kühlkanal besitzt. Zusätzlich dazu kann eine Oberfläche der zweiten metallischen Platte als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet sein, welche einen zweiten Kanal für Reaktionsgas besitzt, und die andere Oberfläche kann als eine Kühlfläche ausgebildet sein, welche einen Kühlkanal besitzt.
Ein Kühlungsdurchgang, welcher durch das Vereinigen der Kühlkanäle gebildet wird, während die Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten miteinander verschweißt werden, kann zwischen den ersten und zweiten metallischen Platten gebildet werden. Der gekrümmte Bereich kann derart ausgebildet sein, dass er in Richtung der Membran-Elektroden-Anordnung an Randbereichen der Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten gekrümmt ist. Eine Vielzahl von gekrümmten Bereichen kann an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten ausgebildet sein. In den Randbereichen der Reaktionsoberflächen von den ersten und zweiten metallischen Platten können die Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen ebenfalls miteinander verschweißt werden.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt, welcher eine Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität durch das Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen zusammenstellt, in welcher der vorstehend erwähnte metallische Separator in engem Kontakt mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung ist. Insbesondere weist der Brennstoffzellenstapel eine Dichtungsanordnung auf, welche zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und einem Randbereich des metallischen Separators zwischenliegend angeordnet ist. Der metallische Separator ist durch das Verschweißen einer ersten metallischen Platte und einer zweiten metallischen Platte miteinander ausgebildet. Zusätzlich dazu sind ein oder mehrere gekrümmte Bereiche, welche symmetrisch zueinander sind, um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten herum ausgebildet, und die Dichtungsanordnung ist zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Randbereich des metallischen Separators eingebaut, mit dem gekrümmten Bereich dazwischen.
Zudem kann die Dichtungsanordnung einen Rahmen, welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und eine Dichtung aufweisen, welche mit dem Rahmen integral spritzgegossen ist. Zudem kann eine Vielzahl von den gekrümmten Bereichen an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten enthalten sein. Die Dichtung kann zwischen den gekrümmten Bereichen angeordnet sein, und Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen in Randbereichen von Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten können miteinander verschweißt sein.
In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Dichtungsanordnung eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt, welcher eine Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität durch das Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen zusammenstellt, in welcher der vorstehend erwähnte metallische Separator in engem Kontakt mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung ist. Die Dichtungsanordnung ist zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und einem Randbereich des metallischen Separators zwischenliegend angeordnet, und weist einen Rahmen, welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und Dichtungen auf, welche mit beiden Oberflächen des Rahmens integral spritzgegossen sind, in welchem zumindest eine seitliche Oberfläche der Dichtung in engem Kontakt mit einem gekrümmten Bereich des metallischen Separators ist, welcher zusammengedrückt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und weist eine Form entsprechend einer Form des gekrümmten Bereichs auf. Zudem kann der Rahmen einen ersten Bereich, welcher in einer Stapelungsrichtung der Brennstoffzellen angeordnet ist, und einen zweiten Bereich aufweisen, welcher mit dem ersten Bereich in einer vertikalen Richtung verbunden ist. Der Rahmen kann ebenfalls einen Querschnitt aufweisen, welcher in manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wie ein Buchstabe ”T” gestaltet ist.
Zudem können die Dichtungen auf oberen und unteren Oberflächen des zweiten Bereichs spritzgegossen sein und können zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Randbereich des metallischen Separators angeordnet sein, wobei der gekrümmte Bereich an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten in dem metallischen Separator dazwischen ausgebildet ist, in welchem eine erste metallische Platte und eine zweite metallische Platte miteinander verschweißt sind.
In Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den metallischen Separator für die Brennstoffzelle durch das Formen der gekrümmten Bereiche, welche symmetrisch zueinander sind, an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten zu konfigurieren, und durch das Verschweißen der Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen. Auf diese Weise ist es möglich, die Luftdichtheit der Kühlfläche und der Reaktionsoberfläche des metallischen Separators für die Brennstoffzelle durch das Verschweißen der Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten und durch das Ausbilden der gekrümmten Bereiche an den Randbereichen der Reaktionsoberflächen von den ersten und zweiten metallischen Platten weiter zu verbessern.
Zudem ist es in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Luftdichtheit der Brennstoffzellen durch das separate Ausbilden der Dichtungsanordnung durch ein Verfahren des Spritzgießens der Dichtungen in dem Rahmen, und durch das Zwischenschalten der Dichtungsanordnung zwischen den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten des metallischen Separators und der Membran-Elektroden-Anordnung aufrechtzuerhalten.
Folglich ist in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dichtungsanordnung separat ausgebildet, so dass es möglich ist, die Unnachgiebigkeit und die Luftdichtheit der Brennstoffzellen weiter zu verbessern, eine Verformung, Oberflächenverunreinigung und dergleichen des metallischen Separators zu verhindern, welche sich in dem zugehörigen Stand der Technik zeigen, einen Defekt des metallischen Separators zu verringern, und des Weiteren die Produktivität des gesamten Stapels zu steigern.
Zudem dient in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Rahmen der Dichtungsanordnung als ein Anschlag, wenn die Brennstoffzellen aufeinander gestapelt werden, so dass es möglich ist, eine externe Isolation des metallischen Separators und eine Gleichförmigkeit hinsichtlich der Länge des Stapels zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen werden als Referenz zur Verfügung gestellt, um eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erklären, und der technische Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung soll nicht dahingehend interpretiert werden, dass er auf die angefügten Zeichnungen beschränkt ist.
1 ist eine schematische Darstellung im Schnitt für eine Konfiguration, welche schematisch einen Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung im Schnitt für eine Konfiguration, welche einen metallischen Separator veranschaulicht, welcher bei dem Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Dichtungsanordnung, welche bei dem Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden, in welchen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Wie der Fachmann erkennen wird, können die beschriebenen Ausführungsformen auf mehrere verschiedenartige Weisen verändert werden, dies alles ohne dabei von dem Erfindungsgedanken oder dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Folglich sollen die Zeichnungen und die Beschreibung ihrem Wesen nach als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bestandteile durch die Patentschrift hindurch.
Zusätzlich sind die Größe und die Dicke von jeder in den Zeichnungen dargestellten Konfiguration für ein besseres Verstehen und zur Erleichterung der Beschreibung beliebig veranschaulicht, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. In den Zeichnungen sind die Dicken von Schichten, Filmen, Platten, Bereichen, etc. der Klarheit wegen vergrößert dargestellt.
Zudem werden in der unten stehenden detaillierten Beschreibung Elemente ein erstes ..., ein zweites ... und dergleichen bezeichnet, da die Konfigurationen der Elemente dieselben sind, und die Namen sind im Grunde genommen nicht auf die Reihenfolge in der unten stehenden Beschreibung beschränkt.
In der Patentschrift wird, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil genannt wird, das Wort ”aufweisen” und Variationen davon, wie zum Beispiel ”aufweist” oder ”aufweisend” derart verstanden, dass es die Einbeziehung der genannten Elemente, nicht aber den Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeutet.
Zudem bezieht sich die Terminologie, wie zum Beispiel ”...einheit”, ”...mittel”, ”...teil” oder ”...element”, welche in der Patentschrift offenbart wird, auf übergreifende Konfigurationen, welche zumindest eine Funktion und Tätigkeit ausführt.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder „Fahrzeug...” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt, wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich allradangetriebene Offroader (SUV), Busse, Lastwagen, unterschiedliche Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich eine Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und dieser schließt Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid Elektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (zum Beispiel Kraftstoffe, die aus Ressourcen mit Ausnahme von Erdöl erzeugt wurden) ein. Wie hierin Bezug genommen, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehrere Kraftquellen besitzt, zum Beispiel sowohl mit Benzin angetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
1 ist eine schematische Darstellung im Schnitt für eine Konfiguration, welche einen Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bezugnehmend auf 1, weist der Brennstoffzellenstapel 100 in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität 1 zum Erzeugen von elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel auf, welches die Reaktionsquellen sind. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel 100 bei einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, welches bei einem Brennstoffzellenfahrzeug zum Einsatz kommt. Im Folgenden wird angenommen, dass der Brennstoff Wasserstoffgas ist und das Oxidationsmittel Luft ist.
Hier kann der Brennstoffzellenstapel 100 aus der Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität 1 gebildet werden, in welcher eine Vielzahl von Brennstoffzellen 50 (im Allgemeinen als eine ”Einheitszelle” im Stand der Technik bezeichnet) aufeinander gestapelt sind. Jede Brennstoffzelle 50 kann durch das Anordnen von metallischen Separatoren 20 für die Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung MEA 10 gebildet werden.
Im Folgenden werden die jeweiligen Bestandteile mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, und ein vertikales Stapeln der Brennstoffzellen 50 wird als ein Beispiel erläutert werden. Jedoch besitzt eine Definition der Richtung eine relative Bedeutung, und die Richtung kann in Übereinstimmung mit einer Richtung verändert werden, in welcher die Brennstoffzellen 50 aufeinander gestapelt werden, und die vorstehend erwähnte Referenzrichtung ist nicht notwendigerweise als die Referenzrichtung für die beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschränkt.
In der Membran-Elektroden-Anordnung 10 sind jeweils eine anodische Elektrode und eine kathodische Elektrode auf beiden seitlichen Oberflächen einer Elektrolyt-Membran ausgebildet. Die Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist eine weitgehend und allgemein bekannte Technologie im Stand der Technik, so dass eine detaillierte Beschreibung einer Konfiguration von selbiger in der vorliegenden Patentschrift weggelassen wird.
Der metallische Separator 20 für die Brennstoffzelle weist erste und zweite metallische Platten 21 und 31 auf. Die ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 können Durchgänge bilden, durch welche jeweils Wasserstoffgas und Luft fließt, und einen Durchgang, durch welchen ein Kühlmedium (zum Beispiel ein Kühlmittel) durch einen Prozess des Druckausübens fließt.
Eine Oberfläche der ersten metallischen Platte 21 kann als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet sein, welche einen ersten Kanal für Reaktionsgas 23 besitzt, durch welche das Wasserstoffgas fließt, und in engem Kontakt mit der anodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist. Die andere Oberfläche der ersten metallischen Platte 21 kann als eine Kühlfläche ausgebildet sein, welche einen Kühlkanal 25 besitzt, durch welche das Kühlmedium fließt.
Gleichermaßen kann eine Oberfläche der zweiten metallischen Platte 31 ebenfalls als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet sein, welche einen zweiten Kanal für Reaktionsgas 33 besitzt, durch welchen die Luft fließt, und in engem Kontakt mit der kathodischen Elektrode der Membran-Elektroden-Anordnung 10 ist. Die andere Oberfläche der zweiten metallischen Platte 31 kann als eine Kühlfläche ausgebildet sein, welche einen Kühlkanal 35 besitzt, durch welchen das Kühlmedium fließt.
Ein Kühlungsdurchgang 41, welcher durch das Vereinigen der Kühlkanäle 25 und 35 gebildet wird, während die Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 in Kontakt miteinander kommen, ist zwischen den ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 ausgebildet.
Unterdessen weist der Brennstoffzellenstapel 100 zudem eine Dichtungsanordnung 70 zum Beibehalten der Luftdichtheit zwischen Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 der Brennstoffzelle 50 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 auf. Die Dichtungsanordnung 70 kann zwischen den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 zwischenliegend sein. Die Konfiguration der Dichtungsanordnung 70 wird in allen Einzelheiten untenstehend erläutert werden.
Der Brennstoffzellenstapel 100 in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welcher die vorstehend erläuterte Konfiguration besitzt, weist eine Struktur auf, welche in der Lage ist, die Luftdichtheit des gesamten Stapels durch das Verbessern einer Ankopplungsstruktur der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 für den metallischen Separator 20 für die Brennstoffzelle und eine Struktur der Dichtungsanordnung 70 zu steigern. Als solcher weist der Brennstoffzellenstapel 100 in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Struktur auf, welche in der Lage ist, die Produktivität zu steigern, und einen Defekt des metallischen Separators 20 für die Brennstoffzelle zu verringern.
Zu diesem Zweck kann der metallische Separator 20 für die Brennstoffzelle in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Satz von ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 gebildet sein, zum Beispiel durch Laserschweißen der metallischen Platten 21 und 31, in einem Zustand, bei dem die getrennten Kühlflächen der ersten und zweiten metallische Platten 21 und 31 in engem Kontakt miteinander sind. Das heißt, der Kühlkanal 41 kann auf solch eine Weise ausgebildet werden, dass wenn externe Bereiche der Kühlkanäle 25 und 35 von den Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 in engem Kontakt miteinander sind, dann werden Bereiche mit engem Kontakt von selbigen mittels Laser verschweißt, so dass die Kühlkanäle 25 und 35 zwischen den Kühlflächen miteinander vereinigt werden.
2 ist eine schematische Darstellung im Schnitt für eine Konfiguration, welche einen metallischen Separator veranschaulicht, welcher bei dem Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bezugnehmend auf 1 und 2, sind ein oder mehrere gekrümmte Bereiche 61, welche symmetrisch zueinander sind, um den verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten. Zusätzlich dazu sind eine Vielzahl von gekrümmten Bereichen 61 an Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 ausgebildet.
Hier können die gekrümmten Bereiche 61 derart ausgebildet sein, dass sie in einer Richtung der Membran-Elektroden-Anordnung 10 an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 gekrümmt sind. Zum Beispiel sind die gekrümmten Bereiche 61 derart ausgebildet, dass sie voneinander in einer vorbestimmten Distanz beabstandet sind, und können als Wülste ausgebildet sein, welche von den Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 in einer Richtung von Ausnehmungen der Kühlkanäle 25 und 35 an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 hervorstehen.
In diesem Fall können an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen 61 durch das vorstehend erwähnte Laserschweißen miteinander verbunden sein. Folglich kann in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch das Verschweißen der äußeren Bereiche der Kühlkanäle 25 und 35 der metallische Separator 20 für die Brennstoffzelle gebildet werden, wenn die Kühlflächen von den ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 in engem Kontakt miteinander sind.
Zudem kann in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der metallische Separator 20 für die Brennstoffzelle durch das Ausformen der gekrümmte Bereiche 61, welche symmetrisch zueinander sind, an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31, und durch das Verschweißen der Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen 61 gebildet werden. Demzufolge sind in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 verschweißt, und die gekrümmten Bereiche 61, welche in Richtung zu der Membran-Elektroden-Anordnung 10 gekrümmt sind, sind an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 ausgebildet, so dass es möglich ist, die Luftdichtheit von den Kühlflächen und der Reaktionsoberflächen des metallischen Separators 20 für die Brennstoffzelle weiter zu verbessern.
3 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Dichtungsanordnung, welche bei dem Brennstoffzellenstapel in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bezugnehmend auf 1 und 3, besitzt die Dichtungsanordnung 70 in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Zweck des Aufrechterhaltens der Luftdichtheit zwischen den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 des metallischen Separators 20 für die Brennstoffzelle und der Membran-Elektroden-Anordnung 10, so wie oberhalb erläutert. Die Dichtungsanordnung 70 kann zwischen den metallischen Platten 21 und 31 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 eingebaut sein, mit dem gekrümmten Bereich 61 zwischen den ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 dazwischen liegend.
Genauer kann die Dichtungsanordnung 70 einen Rahmen 71, welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und Dichtungen 73 aufweisen, welche mit dem Rahmen 71 integral spritzgegossen sind. Der Rahmen 71 kann einen ersten Bereich 72a, welcher in einer Stapelungsrichtung der Brennstoffzellen 50 angeordnet ist, und einen zweiten Bereich 72b aufweisen, welcher mit dem ersten Bereich 72a in einer vertikalen Richtung verbunden ist. Der erste Bereich 72a ist in der Stapelungsrichtung der Brennstoffzellen 50 aufgerichtet, und der zweite Bereich 72b kann mit einer Mitte des ersten Bereichs 72a in einer horizontalen Richtung verbunden sein. Das heißt, der Rahmen 71 kann einen Querschnitt aufweisen, welcher wie ein Buchstabe ”T” gestaltet ist.
Zudem können die Dichtungen 73 in oberen und unteren Oberflächen des zweiten Bereichs 72b von dem Rahmen 71 spritzgegossen sein, und können zwischen den gekrümmten Bereichen 61 der metallischen Platten 21 und 31 zwischen den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 angeordnet sein. In diesem Fall kann zumindest eine seitliche Oberfläche der Dichtung 73 in engem Kontakt mit dem gekrümmten Bereich 61 des metallischen Separators 20 sein, und durch den metallischen Separator 20 zusammengedrückt werden, wenn die Brennstoffzellen verbunden sind, und eine Form entsprechend zu einer Form des gekrümmten Bereichs 61 besitzen.
Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die vorstehend erläuterte Konfiguration besitzt, ist es möglich, die Luftdichtheit der Brennstoffzellen 50 durch das separate Ausbilden der Dichtungsanordnung 70 durch ein Verfahren des Spritzgießens der Dichtung 73 an den Rahmen 71, und durch das Zwischenschalten der Dichtungsanordnung 70 zwischen den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten 21 und 31 des metallischen Separators 20 und der Membran-Elektroden-Anordnung 10 beizubehalten.
Zudem ist in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Dichtungsanordnung 70 separat ausgebildet, so dass es möglich ist, die Unnachgiebigkeit und die Luftdichtheit der Brennstoffzellen 50 weiter zu verbessern, eine Verformung, Oberflächenverunreinigung und dergleichen des metallischen Separators 20 zu verhindern, welche sich in dem zugehörigen Stand der Technik zeigen, während zur gleichen Zeit ein Defekt des metallischen Separators 20 verringert wird, und des Weiteren die Produktivität des gesamten Stapels 100 gesteigert wird.
Zudem kann in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Rahmen 71 der Dichtungsanordnung 70 als ein Anschlag dienen, wenn die Brennstoffzellen 50 aufeinander gestapelt werden, so dass es möglich ist, eine externe Isolierung des metallischen Separators 20 und eine Gleichförmigkeit hinsichtlich der Länge des Stapels 100 zu erzielen.
Während diese Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was gegenwärtig als praktische beispielhafte Ausführungsformen angesehen wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern sie soll im Gegenteil verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen umfassen, welche innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfangs der angehängten Patentansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität
10: Membran-Elektroden-Anordnung
20: Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle
21: Erste metallische Platte
23: Erster Kanal für Reaktionsgas
25, 35: Kühlkanal
31: Zweite metallische Platte
33: Zweiter Kanal für Reaktionsgas
41: Kühlungsdurchgang
50: Brennstoffzelle
61: Gekrümmter Bereich
70: Dichtungsanordnung
71: Rahmen
72a: Erster Bereich
72b: Zweiter Bereich
73: Dichtung

Claims

Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle, welcher auf beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) (10) angeordnet ist, wobei der metallische Separator (20) für die Brennstoffzelle (50) gebildet wird aus: ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31), welche miteinander verschweißt sind, wobei die ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) zu Anfang voneinander getrennt sind, und einem oder mehreren gekrümmten Bereichen (61), welche symmetrisch zueinander sind, welche um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) herum ausgebildet sind.
Metallischer Separator (20) nach Anspruch 1, wobei: eine Oberfläche der ersten metallischen Platte (21) als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet ist, welche einen ersten Kanal (23) für Reaktionsgas besitzt, und die andere Oberfläche als eine Kühlfläche ausgebildet ist, welche einen Kühlkanal (25) besitzt, eine Oberfläche der zweiten metallischen Platte (31) als eine Reaktionsoberfläche ausgebildet ist, welche einen zweiten Kanal (33) für Reaktionsgas besitzt, und die andere Oberfläche als eine Kühlfläche ausgebildet ist, welche einen Kühlkanal (35) besitzt, ein Kühlungsdurchgang (41), welcher durch vereinte Kühlkanäle gebildet wird, während die Kühlflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) miteinander verschweißt werden, ist zwischen den ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) ausgebildet, und der gekrümmte Bereich (61) derart ausgebildet ist, dass er in Richtung zu der Membran-Elektroden-Anordnung (10) an Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) gekrümmt ist.
Metallischer Separator (20) nach Anspruch 2, wobei: eine Vielzahl von gekrümmten Bereichen (61) an den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) ausgebildet sind, und in den Randbereichen von den Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen (61) miteinander verschweißt sind.
Brennstoffzellenstapel (100), welcher eine Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität durch das Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen (50) zusammenstellt, in welcher der metallische Separator (20) nach Anspruch 1 in engem Kontakt mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) ist, wobei der Brennstoffzellenstapel (100) aufweist: eine Dichtungsanordnung (70), welche zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und einem Randbereich des metallischen Separators (20) zwischenliegend angeordnet ist, wobei der metallische Separator (20) aus einer ersten metallischen Platte (21) und einer zweiten metallischen Platte (31) gebildet wird, welche miteinander verschweißt sind, und ein oder mehrere gekrümmte Bereiche (61), welche symmetrisch zueinander sind, sind um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) ausgebildet, und die Dichtungsanordnung (70) ist zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und dem Randbereich des metallischen Separators (20) eingebaut, mit dem gekrümmten Bereich (61) dazwischen.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 4, wobei die Dichtungsanordnung (70) einen Rahmen (71), welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und eine Dichtung (73) aufweist, welche mit dem Rahmen (71) integral spritzgegossen ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 5, wobei eine Vielzahl von den gekrümmten Bereichen (61) an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) enthalten ist, und die Dichtung (73) zwischen den gekrümmten Bereichen (61) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 6, wobei Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen (61) in Randbereichen von Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) miteinander verschweißt sind.
Dichtungsanordnung eines Brennstoffzellenstapels (100), welcher eine Anordnung zur Erzeugung von Elektrizität durch das Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen (50) zusammenstellt, in welcher der metallische Separator (20) nach Anspruch 1 in engem Kontakt mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) ist, wobei die Dichtungsanordnung (70) zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und einem Randbereich des metallischen Separators (20) zwischenliegend angeordnet ist, wobei die Dichtungsanordnung (70) aufweist: einen Rahmen (71), welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und Dichtungen (73), welche mit beiden Oberflächen des Rahmens (71) integral spritzgegossen sind, wobei zumindest eine seitliche Oberfläche der Dichtung (73) in engem Kontakt mit einem gekrümmten Bereich (61) des metallischen Separators (20) ist, welcher zusammengedrückt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel (100) verbunden ist, und eine Form entsprechend einer Form des gekrümmten Bereichs (61) besitzt.
Dichtungsanordnung (70) nach Anspruch 8, wobei der Rahmen (71) einen ersten Bereich (72a), welcher in einer Stapelungsrichtung der Brennstoffzellen (50) angeordnet ist, und einen zweiten Bereich (72b) aufweist, welcher mit dem ersten Bereich (72a) in einer vertikalen Richtung verbunden ist.
Dichtungsanordnung (70) nach Anspruch 9, wobei der Rahmen (71) einen Querschnitt aufweist, welcher in der Form eines Buchstabens ”T” gestaltet ist.
Dichtungsanordnung (70) nach Anspruch 9, wobei die Dichtungen (73) auf oberen und unteren Oberflächen des zweiten Bereichs (72b) spritzgegossen sind.
Dichtungsanordnung (70) nach Anspruch 8, wobei die Dichtung (73) zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und dem Randbereich des metallischen Separators (20) angeordnet ist, wobei der gekrümmte Bereich (61) an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) dazwischen in dem metallischen Separator (20) ausgebildet ist, in welchem eine erste metallische Platte (21) und eine zweite metallische Platte (31) miteinander verschweißt sind.
Brennstoffzellenfahrzeug, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (100), welcher metallische Separatoren (20) in engem Kontakt mit beiden Seiten einer Membran-Elektroden-Anordnung (10) aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel (100) aufweist: eine Dichtungsanordnung (70), welche zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und einem Randbereich des metallischen Separators (20) zwischenliegend angeordnet ist, wobei der metallische Separator (20) aus einer ersten metallischen Platte (21) und einer zweiten metallischen Platte (31) gebildet wird, welche miteinander verschweißt sind, und ein oder mehrere gekrümmte Bereiche (61), welche symmetrisch zueinander sind, sind um einen verschweißten Bereich der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) ausgebildet, und die Dichtungsanordnung (70) ist zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (10) und dem Randbereich des metallischen Separators (20) eingebaut, mit dem gekrümmten Bereich (61) dazwischen.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Dichtungsanordnung (70) einen Rahmen (71), welcher aus einem Isolationsmaterial gebildet ist, und eine Dichtung (73) aufweist, welche mit dem Rahmen (71) integral spritzgegossen ist.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 14, wobei eine Vielzahl von den gekrümmten Bereichen (61) an den Randbereichen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) enthalten ist, und die Dichtung (73) zwischen den gekrümmten Bereichen (61) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 15, wobei Bereiche zwischen den gekrümmten Bereichen (61) in Randbereichen von Reaktionsoberflächen der ersten und zweiten metallischen Platten (21, 31) miteinander verschweißt sind.