-
HINTERGRUND
-
(a) Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Bearbeitungsgenauigkeit eines Kühlmedium-Führungskanals in einem Führungsbereich jedes Separators verbessert ist und ein Kühlmedium wirksam verteilt wird, um die Wärmeübertragungseffizienz signifikant zu verbessern.
-
(b) Beschreibung des Standes der Technik
-
Eine Brennstoffzelle umfasst einen elektrische Energie erzeugenden Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffversorgungssystem, das einen Brennstoff/Kraftstoff (Wasserstoff) an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Luftversorgungssystem einschließlich eines Luftgebläses und einer Befeuchtungsvorrichtung, um Sauerstoff in der Luft, ein Oxidationsmittel, das für eine elektrochemische Reaktion erforderlich ist, an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und ein Wärme-und-Wasser-Management-System, das eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert/regelt.
-
Wie in 1 dargestellt (STAND DER TECHNIK), wird der Brennstoffzellenstapel gebildet durch Stapeln einer Mehrzahl von Elementarbrennstoffzellen 40, und die Elementarbrennstoffzellen 40 weisen jeweils eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 10 und ein Paar Separatoren 20 und 30, die dicht/fest an gegenüberliegenden Flächen/Oberflächen der MEA 10 angebracht sind, auf.
-
Die MEA 10 umfasst eine Festpolymer-Elektrolytmembran, die es einem Wasserstoffproton ermöglicht, sich zu bewegen, und Katalysatorschichten, das heißt, eine Kathode und eine Anode, die an/auf gegenüberliegenden Flächen/Oberflächen der Elektrolytmembran aufgebracht sind, so dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander eine Reaktion eingehen können.
-
Eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) ist an Außenflächen der MEA 10 angeordnet, das heißt an Abschnitten, wo die Kathode und die Anode angeordnet sind, und das Paar Separatoren 20 und 30 ist an Außenseiten der GDL angeordnet.
-
Das Paar Separatoren 20 und 30 weist Reaktionsgaskanäle 23 und 23 auf, die ein Reaktionsgas (Brennstoff oder Luft) zuführen beziehungsweise nach einer Reaktion erzeugtes Wasser abführen.
-
Das Paar Separatoren 20 und 30 umfasst einen Kathodenseparator, der dicht/fest an der Kathode der MEA 10 angebracht ist, und einen Anodenseparator, der dicht/fest an der Anode der MEA 10 angebracht ist.
-
Eine Kathodenreaktionsfläche ist an einer Fläche/Oberfläche des Kathodenseparators 20 gebildet und eine Mehrzahl von Luftkanälen 23, die Luft als ein Oxidationsmittel an die Kathode der MEA 10 zuführen, ist an/auf der Kathodenreaktionsfläche gebildet. Eine Kathodenkühlfläche ist an der anderen Fläche/Oberfläche des Kathodenseparators 20 gebildet und eine Mehrzahl von ein Kühlmedium verteilenden Kühlkanälen 24 ist an/auf der Kathodenkühlfläche gebildet.
-
Eine Anodenreaktionsfläche ist an/auf einer Fläche/Oberfläche des Anodenseparators 30 gebildet und eine Mehrzahl von Brennstoffkanälen 33, die Brennstoff an die Anode der MEA 10 zuführen, ist an/auf der Anodenreaktionsfläche gebildet. Eine Anodenkühlfläche ist an/auf der anderen Fläche/Oberfläche des Anodenseparators gebildet und eine Mehrzahl von ein Kühlmedium verteilenden Kühlkanälen 34 ist an/auf der Anodenkühlfläche gebildet.
-
In dem Brennstoffzellenstapel, da die Mehrzahl der Elementarbrennstoffzellen 40 in einer vertikalen Richtung gestapelt ist, sind der Kathodenseparator 20 von einer Elementarbrennstoffzelle 40 und der Anodenseparator 30 der anderen Elementarbrennstoffzelle 40 zwischen benachbarten/angrenzenden MEAs 10 gegenüberliegend angeklebt/gehalten, und insbesondere sind die Kühlkanäle 24 des Kathodenseparators 20 und die Kühlkanäle 34 des Anodenseparators 30 verbunden, um Kühlkanäle/Kühldurchgänge 24 und 34 zum Verteilen eines Kühlmediums zu bilden, und demzufolge ist ein Paar Kühlkanäle 24 und 34 an/auf gegenüberliegenden Seiten von jeder der MEAs 10 symmetrisch angeordnet.
-
2 (STAND DER TECHNIK) zeigt eine Draufsicht, die einen Abschnitt einer Kühlfläche eines herkömmlichen Kathodenseparators darstellt.
-
Wie in 2 dargestellt, ist eine Mehrzahl von Verteilern/Sammelleitungen 7, 8 und 9 in zumindest einem Ende eines jeden Separators 20 und 30 vorgesehen und die Mehrzahl von Verteilern 7, 8 und 9 kann ein Luftverteiler 7, ein Kühlmediumverteiler 8 und ein Brennstoffverteiler 9 sein.
-
Eine Kühlfläche (oder Reaktionsfläche) eines jeden der Separatoren 20 und 30 umfasst einen zu der Mehrzahl von Verteilern 7, 8 und 9 benachbarten/angrenzenden Führungsbereich 4 und einen Reaktionsbereich 2, in dem eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Der Reaktionsbereich 2 muss möglicherweise einen vorgegebenen Anpressdruck sicherstellen, um gemäß der elektrochemischen Reaktion erzeugten elektrischen Strom zu bewegen, und der Führungsbereich 4, in dem keine elektrochemische Reaktion stattfindet, ist eingerichtet, um einfach einen Durchfluss/Durchströmen eines Fluides (Luft, Brennstoff oder Kühlmedium) zwischen den Verteilern und dem Reaktionsbereich 2 zu führen.
-
Um ein Reaktionsgas gleichmäßig zu verteilen, ist die Mehrzahl von Reaktionsgaskanälen 23 und 33 gebildet, um von dem Führungsbereich 4 zu dem Reaktionsbereich 2 an/auf den Reaktionsflächen der Separatoren 20 und 30 zu verlaufen, wodurch die Reaktionsgaskanäle in dem Führungsbereich 4 und die Reaktionsgaskanäle in dem Reaktionsbereich 2 jeweils (d. h. eins zu eins) zusammengepasst sind.
-
Da die Mehrzahl von Verteilern 7, 8 und 9 in den Enden der Separatoren 20 und 30 gebildet ist, weist der Führungsbereich 4 eine Fläche 4 auf, die schmaler als die des Reaktionsbereichs 2 ist. Somit, da die Mehrzahl von Reaktionsgaskanälen vorgesehen ist, um von dem Führungsbereich 4 zu dem Reaktionsbereich 2 an/auf den Reaktionsflächen der Separatoren 20 und 30 kontinuierlich gebildet zu sein, ist die Mehrzahl von Kühlkanälen 24 und 34 zwangsläufig gebildet, um von dem Führungsbereich 4 zu dem Reaktionsbereich 2 an/auf den Kühlflächen, die den Reaktionsflächen gegenüberliegen, zu verlaufen. Jedoch, wie in 2 dargestellt, sind die Abstände zwischen den Kühlkanälen 24 und 34 so schmal, dass die Kühlkanäle 24 und 34 schwer zu bilden sind.
-
Insbesondere in einem Fall, wo die Kühlkanäle 24 und 34 der Separatoren 20 und 30 durch Stanzen unter Verwendung eines dünnen Plattenmaterials mit geringer Dehnung gebildet werden, wenn die Abstände zwischen den Kühlkanälen 1, 5 oder weniger betragen, ist es sehr schwierig, die Kühlkanäle zu verarbeiten, und es können leicht Risse in den Kühlkanälen auftreten.
-
Somit wird bei den Separatoren 20 und 30 des Standes der Technik die Formbarkeit der Kühlkanäle 24 und 34 in dem schmalen Führungsbereich 4 verringert, was zu einer Reduzierung der Anzahl von Kühlkanälen 24 und 34 führt. Dies kann jedoch eine wirksame Verteilung eines Kühlmediums oder die Wärmeübertragungsleistung verschlechtern, was eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades einer Brennstoffzelle zur Folge hat.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stellt einen Brennstoffzellenstapel bereit, in dem eine Bearbeitungsgenauigkeit eines Kühlmedium-Führungskanals in einem Führungsbereich eines jeden Separators signifikant verbessert wird und ein Kühlmedium wirksam verteilt wird, um die Wärmeübertragungseffizienz erheblich zu verbessern.
-
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der gebildet wird durch Stapeln von Elementarbrennstoffzellen, die jeweils eine Membranelektrodenanordnung (MEA) und ein Paar an gegenüberliegenden Seiten der MEA angeordneten Separatoren aufweisen, umfassend: einen ersten Separator und einen zweiten Separator, die zwischen benachbarten MEAs gegenüberliegend gehalten sind und jeweils eine Mehrzahl von Verteilern, einen Reaktionsbereich und einen Führungsbereich, der zwischen der Mehrzahl von Verteilern und dem Reaktionsbereich angeordnet ist, aufweisen; einen ersten Kühlmedium-Führungskanal, der einen Strom/Durchfluss eines Kühlmediums zwischen der Mehrzahl von Verteilern und dem in dem Führungsbereich des ersten Separators gebildeten Reaktionsbereich führt; einen zweiten Kühlmedium-Führungskanal, der einen Strom/Durchfluss eines Kühlmediums zwischen der Mehrzahl von Verteilern und dem in dem Führungsbereich des zweiten Separators gebildeten Reaktionsbereich führt; und wobei zumindest Abschnitte des ersten Kühlmedium-Führungskanals und des zweiten Kühlmedium-Führungskanals überlappen, um miteinander in Verbindung zu stehen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich.
-
1 (STAND DER TECHNIK) zeigt eine Schnittdarstellung, die einen Teil von Reaktionsflächen eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels darstellt.
-
2 (STAND DER TECHNIK) zeigt eine Ansicht, die einen Führungsbereich einer Kühlfläche eines Separators eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels darstellt.
-
3 zeigt eine Ansicht, die eine Reaktionsfläche eines ersten Separators eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
4 zeigt eine Ansicht, die eine Kühlfläche des ersten Separators eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
5 zeigt eine Ansicht, die eine Reaktionsfläche eines zweiten Separators eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
6 zeigt eine Ansicht, die eine Kühlfläche des zweiten Separators eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
7 zeigt eine Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem der erste Separator und der zweite Separator des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einander gegenüberliegend gehalten sind.
-
8 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines durch den Pfeil von 7 angegebenen Abschnitts 'A'.
-
9 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C von 8.
-
10 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie D-D von 8.
-
11 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines durch den Pfeil von 7 angegebenen Abschnitts 'B'.
-
12 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie E-E von 7.
-
13 zeigt eine Ansicht, die eine alternative Anordnung/Konfiguration von 11 darstellt.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
-
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente. In der Beschreibung, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil beschrieben ist, werden das Wort ”aufweisen/umfassen” und Variationen wie ”aufweist/umfasst” oder ”aufweisend/umfassend” derart verstanden, dass dies die Einbeziehung der genannten Elemente aber nicht der Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeutet. Darüber hinaus bedeuten die Begriffe ”...Einheit”, ”...-er”, ”...-or” und ”...Modul”, die in der Beschreibung beschrieben werden, Einheiten zum Verarbeiten von zumindest einer Funktion und Operation, und können durch Hardware-Komponenten oder Software-Komponenten und Kombinationen derselben realisiert/implementiert werden.
-
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
-
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Als Referenz können Abmessungen von Elementen oder Dicken/Stärken von Linien, die in den Zeichnungen dargestellt sind, auf die Bezug genommen wird, um die vorliegende Offenbarung zu beschreiben, zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt sein. Auch sind die von nun an verwendeten Begriffe unter Berücksichtigung der Funktionen der vorliegenden Offenbarung definiert worden und können gemäß der Absicht eines Benutzers oder Bedieners oder der herkömmlichen Praxis verändert werden. Demzufolge sollten die Begriffe/Bezeichnungen auf der Grundlage des gesamten Inhalts dieser Beschreibung definiert werden.
-
Ein Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird gebildet durch Stapel einer Mehrzahl von Elementarbrennstoffzellen (nicht gezeigt), jeweils aufweisend eine Membranelektrodenanordnung (MEA)(nicht gezeigt) und einem Paar Separatoren 200 und 300, die an gegenüberliegenden Seiten der MEA angeordnet sind, so dass, um einen Reaktionsgasdurchgang/Reaktionsgaskanal und einen Kühldurchgang/Kühlkanal zwischen MEAs von benachbarten Elementarbrennstoffzellen zu bilden, der erste Separator 200 und der zweite Separator 300 angeordnet sind, um einander gegenüberzuliegen (siehe z. B. 1, die die allgemeine Konfiguration/Anordnung einer herkömmlichen Brennstoffzelle darstellt).
-
Wie in 3 und 4 dargestellt, sind gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Verteilern 110, 120 und 130 in zumindest einem Endabschnitt des ersten Separators 200 gebildet. Die Mehrzahl von Verteilern 110, 120 und 130 kann sein: ein erster Reaktionsgasverteiler 110, der ein erstes Reaktionsgas zuführt oder abführt, ein Kühlmediumverteiler 120, der ein Kühlmedium zuführt oder abführt, beziehungsweise ein zweiter Reaktionsgasverteiler 130, der ein zweites Reaktionsgas zuführt oder abführt. Eine Mehrzahl von Verbindungsöffnungen/Kommunikationsöffnungen 111, die mit dem ersten Reaktionsgasverteiler 110 in Verbindung stehen, ist derart gebildet, um zu dem ersten Reaktionsgasverteiler 110 benachbart zu sein.
-
Wie in 3 und 4 dargestellt, ist eine erste Reaktionsfläche 210 an einer Oberfläche des ersten Separators 200 gebildet (siehe 3), und eine erste Kühlfläche 220 ist an der anderen Oberfläche des ersten Separators 200 gebildet (siehe 4). Jede der ersten Reaktionsfläche 210 und der ersten Kühlfläche 220 des ersten Separators 200 umfasst einen Reaktionsbereich 150, in dem eine elektrochemische Reaktion stattfindet, und einen Führungsbereich 140, der zwischen der Mehrzahl von Verteilern 110, 120 und 130 und dem Reaktionsbereich 150 angeordnet ist. Der Reaktionsbereich 150 kann einen vorgegeben Anpressdruck erfordern, um gemäß der elektrochemischen Reaktion erzeugten elektrischen Strom zu bewegen, und der Führungsbereich 140, in dem eine elektrochemische Reaktion nicht stattfindet, ist eingerichtet, um eine Strömung eines ersten Reaktionsgases (Brennstoff oder Luft) und ein Kühlmedium zwischen den Verteilern 110, 120 und 130 und dem Reaktionsbereich 150 zu führen.
-
3 zeigt eine Ansicht, die die erste Reaktionsfläche 210 des ersten Separators 200 darstellt. Wie in 3 dargestellt, ist eine Mehrzahl von ersten Reaktionsgasführungskanälen 230 in dem Führungsbereich 140 der ersten Reaktionsfläche 210 gebildet und demzufolge kann eine Strömung eines ersten Reaktionsgases zwischen dem Reaktionsbereich 150 und dem ersten Reaktionsgasverteiler 110 durch die Mehrzahl von ersten Reaktionsgasführungskanälen 230 geführt werden (siehe die durch den Pfeil ”a” von 3 angegebene Richtung).
-
Wie in 3 dargestellt, ist die Mehrzahl von ersten Reaktionsgasführungskanälen 230 gebildet, um von dem Führungsbereich 140 zu dem Reaktionsbereich 150 zu verlaufen. Somit kann das erste Reaktionsgas von dem ersten Reaktionsgasverteiler 110 zu dem ersten Reaktionsgasführungskanal 230 des Führungsbereichs 140 durch die Verbindungsöffnungen 111 bewegt werden, wie durch den Pfeil ”a” von 3 angegeben.
-
4 zeigt eine Ansicht, die eine erste Kühlfläche 220 darstellt, die der ersten Reaktionsfläche 210 des ersten Separators 200 gegenüberliegt. Wie in 4 dargestellt, ist eine erster Kühlmedium-Führungskanal 240 in dem Führungsbereich 140 der ersten Kühlfläche 220 gebildet und demzufolge kann ein Strom/Fluss eines Kühlmediums zwischen dem Reaktionsbereich 150 und dem Kühlmediumverteiler 120 durch den ersten Kühlmedium-Führungskanal 240 geführt werden (siehe die durch den Pfeil ”b” von 4 angegebene Richtung).
-
Wie in 4 dargestellt, weist der erste Kühlmedium-Führungskanal 240 auf einen sich entlang des Randes des Führungsbereichs 140 erstreckenden ersten Randseiten-Führungskanal 245, eine Mehrzahl von ersten durchgehenden Kanälen 241, die von dem ersten Randseiten-Führungskanal 245 fortgesetzt sind, und eine Mehrzahl von ersten unterbrochenen (nicht durchgehenden) Kanälen 242, die von dem ersten Randseiten-Führungskanal 245 nicht fortgesetzt sind.
-
Der erste Randseiten-Führungskanal 245 erstreckt sich entlang des Randes des Führungsbereichs 140 und eine Seite desselben steht mit dem Kühlmediumverteiler 120 in Verbindung.
-
Die Mehrzahl von ersten durchgehenden Kanälen 241 ist gebildet, um von dem ersten Randseiten-Führungskanal 245 zu verlaufen, und demzufolge kann ein Kühlmedium, das den ersten Randseiten-Führungskanal 245 von dem Kühlmediumverteiler 120 durchströmt hat, an die Mehrzahl von ersten durchgehenden Kanälen 241 übertragen werden, wie durch den Pfeil ”b” von 4 angegeben.
-
Einige der Mehrzahl von ersten durchgehenden Kanälen 241 können verbunden sein, um miteinander durch einen ersten Verbindungsraum 244 in Verbindung zu stehen, und demzufolge kann das von dem Kühlmediumverteiler 120 übertragene Kühlmedium gleichmäßig an die Mehrzahl von ersten durchgehenden Kanälen 241 durch den ersten Verbindungsraum 244 verteilt werden.
-
Die Mehrzahl von ersten unterbrochenen Kanälen 242 ist nicht von dem ersten Randseiten-Führungskanal 245 fortgesetzt und somit steht die Mehrzahl von ersten unterbrochenen Kanälen 242 nicht mit dem ersten Randseiten-Führungskanal 245 in Verbindung.
-
Wie in 5 und 6 dargestellt, kann eine Mehrzahl von Verteilern 110, 120 und 130, die jeweils den Verteilern 110, 120 und 130 des ersten Separators 200 entspricht, ebenfalls in zumindest einem Endabschnitt des zweiten Separators 300 gebildet sein. Eine Mehrzahl von mit dem zweiten Reaktionsgasverteiler 130 in Verbindung stehenden Verbindungsöffnungen 131 ist benachbart/angrenzend zu dem zweiten Reaktionsgasverteiler 130 gebildet.
-
Wie in 5 und 6 dargestellt, ist die zweite Reaktionsfläche 310 an/auf einer Oberfläche des zweiten Separators 300 gebildet (siehe 5) und die zweite Kühlfläche 320 ist an/auf der anderen Oberfläche des zweiten Separators 300 gebildet (siehe 6). Jede der zweiten Reaktionsfläche 310 und der zweiten Kühlfläche 320 des zweiten Separators 300 umfasst einen Reaktionsbereich 150, in dem eine elektrochemische Reaktion stattfindet, und einen Führungsbereich 140, der zwischen der Mehrzahl von Verteilern 110, 120 und 130 und dem Reaktionsbereich 150 angeordnet ist. Der Reaktionsbereich 150 kann einen vorgegeben Anpressdruck erfordern, um gemäß der elektrochemischen Reaktion erzeugten elektrischen Strom zu bewegen, und der Führungsbereich 140, in dem eine elektrochemische Reaktion nicht stattfindet, ist eingerichtet, um eine Strömung eines zweiten Reaktionsgases (Brennstoff oder Luft) und ein Kühlmedium zwischen den Verteilern 110, 120 und 130 und dem Reaktionsbereich 150 zu führen.
-
5 zeigt eine Ansicht, die die zweite Reaktionsfläche 310 des zweiten Separators 300 darstellt. Wie in 5 dargestellt, ist eine Mehrzahl von zweiten Reaktionsgasführungskanälen 330 in dem Führungsbereich 140 der zweiten Reaktionsfläche 310 gebildet und demzufolge kann eine Strömung eines zweiten Reaktionsgases zwischen dem Reaktionsbereich 150 und dem zweiten Reaktionsgasverteiler 110 durch die Mehrzahl von zweiten Reaktionsgasführungskanälen 330 geführt werden (siehe eine durch den Pfeil ”H” von 5 angegebene Richtung).
-
Wie in 5 dargestellt, ist die Mehrzahl von zweiten Reaktionsgasführungskanälen 330 gebildet, um von dem Führungsbereich 140 zu dem Reaktionsbereich 150 zu verlaufen. Somit kann das zweite Reaktionsgas von dem zweiten Reaktionsgasverteiler 130 zu dem zweiten Reaktionsgasführungskanal 330 des Führungsbereichs 140 durch die Verbindungsöffnungen 131 bewegt werden, wie durch den Pfeil ”H” von 5 angegeben.
-
6 zeigt eine Ansicht, die eine zweite Kühlfläche 330 darstellt, die der zweiten Reaktionsfläche 310 des zweiten Separators 300 gegenüberliegt. Wie in 6 dargestellt, ist ein zweiter Kühlmedium-Führungskanal 340 an/auf der zweiten Kühlfläche 320 gebildet und demzufolge kann ein Strom/Fluss eines Kühlmediums zwischen dem Reaktionsbereich 150 und dem Kühlmediumverteiler 120 durch den zweiten Kühlmedium-Führungskanal 340 geführt werden (siehe die durch den Pfeil ”G” von 6 angegebene Richtung).
-
Wie in 6 dargestellt, weist der zweite Kühlmedium-Führungskanal 340 auf einen sich entlang des Randes des Führungsbereichs 140 erstreckenden zweiten Randseiten-Führungskanal 345, eine Mehrzahl von zweiten durchgehenden Kanälen 341, die von dem zweiten Randseiten-Führungskanal 345 fortgesetzt sind, und eine Mehrzahl von zweiten unterbrochenen (nicht durchgehenden) Kanälen 342, die von dem zweiten Randseiten-Führungskanal 345 nicht fortgesetzt sind.
-
Die Mehrzahl von zweiten durchgehenden Kanälen 341 ist gebildet, um von dem zweiten Randseiten-Führungskanal 345 zu verlaufen, und demzufolge kann ein Kühlmedium, das den zweiten Randseiten-Führungskanal 345 von dem Kühlmediumverteiler 120 durchströmt hat, an die Mehrzahl von zweiten durchgehenden Kanälen 341 übertragen werden, wie durch den Pfeil ”G” von 6 angegeben.
-
Einige der Mehrzahl von zweiten durchgehenden Kanälen 341 können verbunden sein, um miteinander durch einen zweiten Verbindungsraum 344 in Verbindung zu stehen, und demzufolge kann das von dem Kühlmediumverteiler 120 übertragene Kühlmedium gleichmäßig an die Mehrzahl von zweiten durchgehenden Kanälen 341 durch den zweiten Verbindungsraum 344 verteilt werden.
-
Die Mehrzahl von zweiten unterbrochenen Kanälen 342 ist nicht von dem zweiten Randseiten-Führungskanal 345 fortgesetzt und somit steht die Mehrzahl von zweiten unterbrochenen Kanälen 342 nicht mit dem zweiten Randseiten-Führungskanal 345 in Verbindung.
-
Der erste Separator 200 kann wahlweise als ein beliebiger aus einem kathodenseitigen Separator und einem anodenseitigen Separator aufgebracht/angewendet sein und somit kann der zweite Separator 300 dem entgegengesetzten Pol des ersten Separators 200 entsprechen.
-
Wenn zum Beispiel der erste Separator 200 ein kathodenseitiger Separator ist, der dicht an einer Kathode der MEA 100 angebracht ist und ein Gas einschließlich Sauerstoff, das heißt, Gas an die Kathode der MEA 100 zuführt, ist der zweite Separator 300 ein anodenseitiger Separator, der Brennstoff an eine Anode der MEA 100 zuführt.
-
Umgekehrt, wenn der erste Separator 200 ein anodenseitiger Separator ist, der dicht an die Anode der MEA 100 angebracht ist und Brennstoff an die Anode der MEA 100 zuführt, ist der zweite Separator 300 ein kathodenseitiger Separator, der Gas einschließlich Sauerstoff, das heißt, Luft an die Kathode der MEA 100 zuführt.
-
Da eine Mehrzahl von Elementarbrennstoffzellen 400 gestapelt sind, sind die erste Kühlfläche 220 des ersten Separators 200 und die zweite Kühlfläche 320 des zweiten Separators 300 gehalten, um zwischen den zueinander benachbarten/angrenzenden MEAs gegenüberzuliegen, wie in 7 und 12 dargestellt.
-
Insbesondere überschneiden sich zumindest Abschnitte des ersten Kühlmedium-Führungskanals 240 der ersten Kühlfläche 220 und des zweiten Kühlmedium-Führungskanals 340 der zweiten Kühlfläche einander in einer überlappenden Weise.
-
Der erste Randseiten-Führungskanal 245 des ersten Kühlmedium-Führungskanals 240 und der zweite Randseiten-Führungskanal 345 des zweiten Kühlmedium-Führungskanals 340 können die gleiche Größe und Anordnungsstruktur aufweisen, und demzufolge, wenn die erste Kühlfläche 210 des ersten Separators 200 und die zweite Kühlfläche 320 des zweiten Separators 300 angebracht sind, dass sie einander entsprechen, können der erste Randseiten-Führungskanal 245 und der zweite Randseiten-Führungskanal 345 mit der entsprechenden Struktur/Anordnung gehalten sein.
-
Wie in 7 bis 10 dargestellt, überlappen der erste Kühlmedium-Führungskanal 240 und der zweite Kühlmedium-Führungskanal 340 in zumindest einem Abschnitt, um Überlappungsabschnitte 510 und 520 zu bilden.
-
Wie in 8 bis 10 dargestellt, kann sich der erste durchgehende Kanal 241 des ersten Kühlmedium-Führungskanals 240 mit dem zweiten durchgehenden Kanal oder dem zweiten unterbrochenen Kanal 342 des zweiten Kühlmedium-Führungskanals 340 in einem Teilabschnitt in einem vorgegebenen Winkel in einer überlappenden Weise schneiden/überschneiden, um einen ersten Überlappungsabschnitt 510 zu bilden.
-
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann sich der erste unterbrochene Kanal 242 des ersten Kühlmedium-Führungskanals 240 mit dem zweiten durchgehenden Kanal 341 oder dem zweiten unterbrochenen Kanal 342 des zweiten Kühlmedium-Führungskanals 340 in einem Teilabschnitt in einem vorgegebenen Winkel in einer überlappenden Weise schneiden/überschneiden, um einen ersten Überlappungsabschnitt 510 zu bilden.
-
Da der erste Kühlmedium-Führungskanal 240 und der zweite Kühlmedium-Führungskanal 340 miteinander durch den ersten Überlappungsabschnitt 510 in Verbindung stehen können, kann ein Kühlmedium gleichmäßig zwischen dem ersten Kühlmedium-Führungskanal 240 und dem zweiten Kühlmedium-Führungskanal 340 strömen/fließen.
-
Wie in 11 bis 13 dargestellt, können ein oder mehrere zweite unterbrochene Kanäle 342 einen ersten durchgehenden Kanal 241 oder einen ersten unterbrochenen Kanal 242 teilweise überlappen, um einen oder mehrere zweite Überlappungsabschnitte 520 zu bilden.
-
In einem Fall, wo zwei oder mehrere zweite Überlappungsabschnitte 520 gebildet sind, können die beiden oder mehreren zweiten Überlappungsabschnitte 520 gebildet sein, so dass Überlappungsbereiche derselben unterschiedlich sind, um eine Kühlmedium-Strömungsrate ausgewogener zu verteilen.
-
11 stellt eine Struktur/Anordnung dar, in der zwei zweite Überlappungsabschnitte 520 (521 und 522) vorgesehen sind und hierbei können die beiden zweiten Überlappungsabschnitte 520 (521 und 522) gebildet sein, um unterschiedliche/verschiedene Überlappungsbereiche aufzuweisen. Unter den beiden Überlappungsabschnitten 520 (521 und 522) kann vorzugsweise der zweite Überlappungsabschnitt 522, der von einer Strömungsrichtung des Kühlmediums weiter weg liegt als der der Strömungsrichtung näher liegende zweite Überlappungsabschnitt 521 (siehe U-Richtung, die durch den Pfeil von 11 angegeben ist) einen kleineren Überlappungsbereich aufweisen. Insbesondere da eine größere Strömungsrate/Durchflussmenge zu der entfernteren Seite aufgrund einer Strömungsträgheit des Kühlmediums neigt, wenn die Überlappungsbereiche der zweiten Überlappungsabschnitte 520 (521 und 522) die gleichen sind, können Strömungsraten unausgewogen sein. Somit, wenn der zweite Überlappungsabschnitt 522 an der entfernteren Seite einen kleineren Überlappungsbereich als der zweite Überlappungsabschnitt 521 auf der näheren Seite aufweist, können die Strömungsraten des Kühlmediums ausgewogen verteilt werden.
-
13 stellt eine Struktur dar, in der drei Überlappungsabschnitte 520 (521, 522 und 523) gebildet sind. Die drei Überlappungsabschnitte 520 (521, 522 und 523) können gebildet sein, um unterschiedliche Überlappungsbereiche aufzuweisen. Unter den drei Überlappungsabschnitten 520 (521, 522 und 523) weist vorzugsweise der mittlere zweite Überlappungsabschnitt 521 den größten Überlappungsbereich auf, und unter den beiden Überlappungsabschnitten 522 und 523, die ab beiden Seiten des mittleren zweiten Überlappungsabschnitts 521 angeordnet sind, weist der zweite Überlappungsabschnitt 523, der von der Strömungsrichtung des Kühlmediums weiter weg liegt als der der Strömungsrichtung näher liegende zweite Überlappungsabschnitt 522 (siehe U-Richtung, die durch den Pfeil von 13 angegeben ist) einen kleineren Überlappungsbereich auf.
-
Auf diese Weise, da ein oder mehrere zweite unterbrochene Kanäle 342 den ersten durchgehenden Kanal 241 oder den ersten unterbrochenen Kanal 242 überlappen, um einen oder mehrere zweite Überlappungsabschnitte 520 zu bilden, kann das Kühlmedium zwischen dem ersten unterbrochenen Kanal 242 und dem zweiten unterbrochenen Kanal 342 verzweigt werden oder sich verbinden, wodurch das Kühlmedium gleichmäßig zwischen dem ersten Kühlmedium-Führungskanal 240 des ersten Separators 200 und dem zweiten Kühlmedium-Führungskanal 340 des zweiten Separators 300 strömen/fließen kann, wodurch ein gleichmäßiger Strom/Fluss des Kühlmediums gewährleistet wird.
-
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel, da ein oder mehrere unterbrochene Kanäle 242 teilweise einen zweiten durchgehenden Kanal 341 oder einen zweiten unterbrochenen Kanal 342 überlappen, können ein oder mehrere zweite Überlappungsabschnitte 520 gebildet sein.
-
In der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben ist, kann, da das Kühlmedium gleichmäßig strömt/fließt, um zwischen dem ersten Kühlmedium-Führungskanal 240 und dem zweiten Kühlmedium-Führungskanal 340 durch den ersten Überlappungsabschnitt 510 und dem zweiten Überlappungsabschnitt 520 in geeigneter Weise verteilt zu werden oder sich zu verbinden, der Strom/Fluss des Kühlmediums in Bezug auf die Reaktionsfläche 210 des ersten Separators 200 und die Reaktionsfläche 310 des zweiten Separators 300 gleichmäßig sein. Darüber hinaus kann, da die Abstände zwischen den Kühlmedium-Führungskanälen 240 und 340 in dem Führungsbereich im Vergleich zum Stand der Technik beträchtlich reduziert werden, kann auch eine dünne Platte mit einer Dehnung von 60% oder weniger eine erheblich verbesserter Formbarkeit aufweisen.
-
Unterdessen, wie in 7 dargestellt, weisen die ersten und zweiten Separatoren 200 und 300 einen zentralen Reaktionsabschnitt K1, in dem die höchsten Temperaturen nach einer chemischen Reaktion der Reaktionsfläche verteilt werden, und äußere Reaktionsabschnitte K2 und K3, die sowohl an der linken als auch rechten Seiten des zentralen Reaktionsabschnitts K1 angeordnet sind, auf.
-
In dem zentralen Reaktionsabschnitt K1 ist ein zweiter Überlappungsabschnitt 520 gebildet, um mehr als die beiden oder mehreren zweiten Überlappungsabschnitte 520 zu betragen, und somit kann ein Durchfluss des Kühlmediums in dem zentralen Reaktionsabschnitt K1 erhöht werden.
-
In den äußeren Reaktionsabschnitten K2 und K3 sind zwei oder mehrere Überlappungsabschnitte 520 gebildet, um mehr als der eine zweite Überlappungsabschnitt 520 zu betragen, und somit kann ein Durchfluss des Kühlmediums in den äußeren Reaktionsabschnitten K2 und K3 verringert werden.
-
Als ein Ergebnis ist ein Verhältnis der beiden oder mehreren zweiten Überlappungsabschnitte 520 in den äußeren Reaktionsabschnitte K2 und K3 größer als in dem zentralen Reaktionsabschnitt K1, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz durch variieren eines Kühlflusses gemäß einer Temperaturverteilung in dem Reaktionsbereich maximiert werden kann.
-
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragungseffizienz beträchtlich verbessert werden, indem eine Bearbeitungsgenauigkeit des Kühlkanals in dem Führungsbereich eines jeden Separators erhöht wird und ein Kühlmedium in wirksamer Weise verteilt wird.
-
Insbesondere, da die Abstände des Kühlmedium-Führungskanals in dem Führungsbereich im Vergleich zum Stand der Technik in hohem Maße erhöht werden, auch mit einem Material mit einer Dehnung von 60% oder weniger, kann die Formbarkeit eines Kühlkanals in dem Führungsbereich des Separators signifikant verbessert werden.
-
Vorstehend, obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, sondern kann durch einen Durchschnittsfachmann auf dem die vorliegende Erfindung betreffenden Gebiet verschiedenartig modifiziert und geändert werden, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung, die in den folgenden Ansprüchen beansprucht ist, abzuweichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 200
- erster Separator
- 210
- erste Reaktionsfläche
- 230
- erster Reaktionsgas-Führungskanal
- 220
- erste Kühlfläche
- 240
- erster Kühlmedium-Führungskanal
- 241
- erster durchgehender Kanal
- 242
- erster nicht durchgehender Kanal
- 245
- erster Randseiten-Führungskanal
- 300
- zweiter Separator
- 310
- zweite Reaktionsfläche
- 320
- zweite Kühlfläche
- 330
- zweiter Reaktionsgas-Führungskanal
- 340
- zweiter Kühlmedium-Führungskanal
- 345
- zweiter Randseiten-Führungskanal
- 341
- zweiter durchgehender Kanal
- 342
- zweiter nicht durchgehender Kanal
- 510
- erster Überlappungsabschnitt
- 520
- Überlappungsabschnitt
