DE102017127492A1

DE102017127492A1 - Trennvorrichtung für brennstoffzelle und brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102017127492A1
Application number: DE102017127492.8A
Authority: DE
Inventors: Wataru Otsu; Naohiro Hoshikawa; Masayuki Ito; Takahiro Kato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: JP2018097977A; US20180166702A1; DE102017127492B4; JP6658486B2; CN108232227B; US11450862B2; CN108232227A

Abstract

Eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einer zwischen den Trennvorrichtungen eingefügten Membranelektrodeneinheit (5), um Strom unter Verwendung eines Reaktionsgases zu erzeugen, umfasst eine Trennplatte (1, 2), versehen mit einer Strömungswegnutgruppe (10, 20), durch welche das Reaktionsgas strömt. Die Strömungswegnutgruppe (10, 20) umfasst eine einzelne erste Strömungswegnut (100), eine Mehrzahl an zweiten Strömungswegnuten (101, 102), und einen Zweigabschnitt (10a, 10b), welcher einen Endabschnitt der ersten Strömungswegnut (100) mit den Endabschnitten der zweiten Strömungswegnuten (101, 102) verbindet. Der Zweigabschnitt (10a, 10b) umfasst einen schmalen Abschnitt (101a, 102a) mit einer schmaleren Nutbreite (Wm, Wn) als eine Nutbreite (Wo) eines übrigen Abschnitts des Zweigabschnitts. Eine Nuttiefe (Dn) des schmalen Abschnitts (101a, 102a) ist seichter als eine Nuttiefe (Do) des verbleibenden Abschnitts.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung bzw. einen Separator für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Brennstoffzellenfahrzeuge („fuel cell vehicles“, FCVs) mit einem angebrachten bzw. montierten Brennstoffzellenstapel haben sich als neue von Benzinfahrzeugen verschiedene Fahrzeuge entwickelt. Eine an einem FCV montierte Brennstoffzelle erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffs, wie Wasserstoffgas mit Sauerstoff in der Luft, Strom und betreibt somit einen Motor.
Der Brennstoffzellenstapel ist durch Stapeln einer Mehrzahl an Brennstoffzellen konfiguriert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit („membrane electrode assembly“, MEA), in der die elektrochemische Reaktion abläuft, und ein Paar Trennplatten bzw. Separatorplatten mit der dazwischen eingefügten MEA. Die erste Trennplatte ist mit einer Strömungswegnut versehen, durch welche das Wasserstoffgas strömt, und die zweite Trennplatte ist mit einer Strömungswegnut versehen, durch welche die Luft derart strömt, dass das Wasserstoffgas und die Luft jeweils von den Strömungswegnuten an die MEA geliefert werden.
Als eine Form der Strömungswegnut wird, zum Beispiel, eine einfache Strömungswegnut in eine Mehrzahl an Strömungswegnuten abgezweigt (zum Beispiel, siehe die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2009-59685 ( JP 2009 - 59685 A ), die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2009-81061 ( JP 2009-81061 A ), die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007-207731 ( JP 2007-207731 A ), die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007-207730 ( JP 2007-207730 A ), und die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2004-178816 ( JP 2004-178816 A )). In diesem Typ der Strömungswegnut ist der Abstand zwischen Rippen, welche die Strömungswegnut am Zweigabschnitt der Strömungswegnut bilden, größer als jene der Abschnitte vor und hinter dem Zweigabschnitt. Deshalb kann die Trennplatte die MEA nicht mit den Rippen in angemessenen Abständen halten, und der Bereich der MEA, welcher nicht durch die Rippen der Trennplatte komprimiert ist bzw. zusammengedrückt wird, nimmt zu.
In dem Bereich zieht bzw. dehnt sich die MEA aufgrund von wiederholtem Trocknen und Befeuchten zusammen bzw. aus, und wird deshalb wahrscheinlich verformt. Deshalb treten Runzeln, Falten und dergleichen in der MEA auf, und deshalb wird die MEA beschädigt. Dementsprechend besteht, zum Beispiel, eine Wahrscheinlichkeit, dass eine Querleckage auftritt (zum Beispiel, siehe japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2012-119169 ( JP 2012-119169 A )).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Problems, dass, wenn die Nutbreite der gesamten Strömungswegnut eingeengt ist, der Abstand bzw. Zwischenraum zwischen den Rippen sogar am Zweigabschnitt ausreichend eingeengt werden kann, und der Bereich der MEA, welcher nicht verdichtet ist, reduziert werden kann. Jedoch wird, in diesem Fall, bei einem Herstellungsverfahren der Trennplatte, zum Beispiel, eine relativ hohe Herstellungsgenauigkeit benötigt, wenn die Strömungswegnut durch Druckformung oder Kohlenstoffformung geformt wird. Deshalb ist es schwierig, die Herstellungseffizienz aufrechtzuerhalten. Das Problem ist nicht auf den Brennstoffzellenstapel, welcher in einem FCV montiert ist, beschränkt, und es liegt außerdem in Brennstoffzellenstapeln für andere Zwecke vor.
Die Erfindung sieht eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle vor, welche fähig ist, die Herstellungseffizienz beizubehalten, während die Verschlechterung in einer Membranelektrodeneinheit unterdrückt wird.
Ein erster Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einer Membranelektrodeneinheit, welche zwischen Trennvorrichtungen eingefügt ist, um Strom unter Verwendung eines Reaktionsgases zu erzeugen, wobei die Trennvorrichtung einschließlich einer Trennplatte mit einer Strömungswegnutgruppe versehen ist, durch welche das Reaktionsgas strömt. Die Strömungswegnutgruppe umfasst eine einzelne erste Strömungswegnut, eine Mehrzahl von zweiten Strömungswegnuten, und einen Zweigabschnitt, welcher einen Endabschnitt der ersten Strömungswegnut mit den Endabschnitten der zweiten Strömungswegnuten verbindet. Der Zweigabschnitt enthält einen schmalen Abschnitt mit einer schmäleren Nutbreite als eine Nutbreite eines verbleibenden bzw. übrigen bzw. restlichen Abschnitts des Zweigabschnitts. Eine Nuttiefe des schmalen Abschnitts ist seichter als eine Nuttiefe des verbleibenden Abschnitts des Zweigabschnitts. Der verbleibende Abschnitt des Zweigabschnitts ist ein Abschnitt des Zweigabschnitts, welcher ein anderer ist als der schmale Abschnitt.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann der schmale Abschnitt mit einem Einlass einer jeden der zweiten Strömungswegnuten verbunden sein.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt können Winkel zwischen einer Richtung, in welche sich jede der zweiten Strömungswegnuten erstreckt und eine Richtung, in welcher sich die einzelne erste Strömungswegnut erstreckt, zueinander gleich sein. Die Nutbreiten der schmalen Abschnitte, welche jeweils mit den Eingängen der zweiten Strömungswegnuten verbunden sind, können zueinander gleich sein.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt weist jede der zweiten Strömungswegnuten einen Winkel auf, der zwischen einer Richtung, in welcher sich die zweite Strömungswegnut erstreckt, und einer Richtung, in welcher sich die einzelne erste Strömungswegnut erstreckt, ausgebildet ist, und die Nutbreite des schmalen Abschnitts, welcher mit dem Einlass der zweiten Strömungswegnut verbunden ist, welche den größeren Winkel aufweist, ist breiter.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann der schmale Abschnitt mit einem Einlass der einzelnen ersten Strömungswegnut verbunden sein.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann die Strömungswegnutgruppe eine Verbindungsnut umfassen, welche eine Verbindung zwischen einer dritten Strömungswegnut, benachbart zur einzelnen ersten Strömungswegnut und dem schmalen Abschnitt, bereitstellt.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann eine Nutbreite der Verbindungsnut schmaler sein als die Nutbreite des schmalen Abschnitts.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann eine Nuttiefe der Verbindungsnut seichter sein als die Nuttiefe des schmalen Abschnitts.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann die Trennplatte bzw. Separatorplatte eine Metallplatte sein, welche eine gewellte Plattenform, entsprechend der Strömungswegnutgruppe, aufweist.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann, an einem Punkt, an welchem der Endabschnitt der ersten Strömungswegnut und der Zweigabschnitt miteinander verbunden sind, eine Unterseite bzw. Unterseitenfläche der ersten Strömungswegnut und eine Unterseite bzw. Unterseitenfläche des Zweigabschnitts durch eine geneigte Oberfläche miteinander verbunden werden.
In der Trennvorrichtung nach dem ersten Gesichtspunkt kann, an einem Punkt, an welchem der Endabschnitt der zweiten Strömungswegnut und der Zweigabschnitt miteinander verbunden sind, eine Unterseite bzw. Unterseitenfläche der zweiten Strömungswegnut und die Unterseite bzw. Unterseitenfläche des Zweigabschnitts durch eine geneigte Oberfläche miteinander verbunden sein.
Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, welche umfasst: eine Membranelektrodeneinheit, welche unter Verwendung eines Reaktionsgases Strom erzeugt; und ein Paar Trennvorrichtungen, zwischen welchen die Membranelektrodeneinheit eingefügt ist. Mindestens eine der Trennvorrichtungen ist die Trennvorrichtung für eine vorstehend beschriebene Brennstoffzelle.
Gemäß den Gesichtspunkten kann die Herstellungseffizienz beibehalten werden, während die Verschlechterung in der Membranelektrodeneinheit unterdrückt wird.
Figurenliste
Eigenschaften, Vorteile, und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Nummern gleiche Elemente bezeichnen und wobei:

1 eine perspektivische Explosionsansicht ist, welche ein Beispiel einer Brennstoffzelle darstellt;
2 eine Draufsicht ist, welche ein Beispiel einer Trennplatte zeigt;
3 eine Draufsicht und eine Schnittansicht ist, welche einen Zweigabschnitt eines Vergleichsbeispiels darstellt;
4 eine Draufsicht und eine Schnittansicht ist, welche einen Zweigabschnitt einer ersten Ausführungsform darstellt;
5 eine Draufsicht und eine Schnittansicht ist, welche einen Zweigabschnitt einer zweiten Ausführungsform darstellt;
6 eine Draufsicht ist, welche einen Zweigabschnitt einer dritten Ausführungsform darstellt;
7 eine Draufsicht ist, welche einen Zweigabschnitt einer vierten Ausführungsform darstellt; und
8 eine Draufsicht ist, welche einen Zweigabschnitt einer fünften Ausführungsform darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche ein Beispiel einer Brennstoffzelle darstellt. Ein Brennstoffzellenstapel wird durch Stapeln einer Mehrzahl an Brennstoffzellen, Aufsetzen von Endplatten an beiden Enden und Befestigen der Endplatten konfiguriert.
Die Brennstoffzelle umfasst ein Paar Trennplatten 1, 2, ein Paar Trägerrahmen bzw. Unterstüzungsrahmen 3, 4, ein Paar Gasdiffusionsschichten 30, 40, und eine Membranelektrodeneinheit (MEA) 5, und die Gasdiffusionsschichten 30, 40 sind jeweils in den Trägerrahmen 3, 4 untergebracht. Die Trennplatte 1 und der Trägerrahmen 3 sind auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle angeordnet, und die Trennplatte 2 und der Trägerrahmen 4 sind auf der Anodenseite der Brennstoffzelle angeordnet.
Die Trägerrahmen 3, 4 isolieren die Trennplatten 1, 2. Durch Dichtungsringe (nicht dargestellt), welche auf den Seiten der Trennplatten 1, 2 in den Trägerrahmen 3, 4 angeordnet sind, werden die Zwischenräume zwischen den Trägerrahmen 3, 4 und den Trennplatten 1, 2 derart verschlossen, dass Luftdichtheit beibehalten wird. Mittel zum Verschließen der Zwischenräume zwischen den Trägerrahmen 3, 4 und den Trennplatten 1, 2 sind nicht auf Dichtungsringe beschränkt, und die Zwischenräume zwischen den Trägerrahmen 3, 4 und den Trennplatten 1, 2 können zum Beispiel durch Verbinden der Trägerrahmen 3, 4 und der Trennplatten 1, 2 mit einem Klebstoff (nicht dargestellt) verschlossen werden. Die Trägerrahmen 3, 4 können durch Formdruckpressen bzw. Spritzgießen eines Harzelements geformt werden, oder können außerdem durch Anfügen einer Mehrzahl an Harzfilmelementen geformt werden.
Zum Beispiel sind die Trägerrahmen 3, 4 rechtwinklige plattenförmige Elemente, und die Trägerrahmen 3, 4 weisen rechtwinklige Unterbringungslöcher 37, 47, auf, um die Gasdiffusionsschichten 30, 40 im Zentrum bzw. in der Mitte unterzubringen. Die MEA 5 ist mindestens an einem der Trägerrahmen 3, 4 befestigt bzw. angebracht und trennt das Wasserstoffgas und die der MEA 5 zugeführten Luft. Da die MEA 5 zwischen den Gasdiffusionsschichten 30, 40 eingefügt ist, sind die Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenseite, die MEA 5 und die Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenseite in dieser Reihenfolge gestapelt.
Die Gasdiffusionsschichten 30, 40 sind aus einem Faserbasismaterial, wie Kohlefaser, einem Strömungswegelement, welches durch Herstellung einer Metallplatte, wie einem sogenannten Streckmetall, ausgebildet wurde, oder einem porösen Element, wie einem geschäumten Metall, hergestellt. Die Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenseite diffundiert Oxidationsgas (Luft), welches ein erstes Reaktionsgas ist, und die Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenseite diffundiert das Wasserstoffgas, welches ein zweites Reaktionsgas ist.
Das Bezugszeichen P1 zeigt einen Querschnitt der MEA 5 an. Die MEA 5 umfasst eine Elektrolytmembran 50, eine Kathodenelektrode 51 und eine Anodenelektrode 52. Die Elektrolytmembran 50 ist, zum Beispiel aus einer ionenausgetauschten Harzmembran hergestellt, welche in einem feuchten Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit aufweist. Beispiele einer solchen Ionentausch-Harzmembran umfassen eine Fluorharzmembran mit einer Sulfonsäuregruppe als eine Ionentauschgruppe, wie Nafion (eingetragene Marke).
Die Elektrolytmembran 50 ist zwischen der Anodenelektrode 52 und der Kathodenelektrode 51 eingefügt. Jede der Anodenelektrode 52 und der Kathodenelektrode 51 ist eine Katalysatorelektrodenschicht und ist aus katalysatortragenden, leitfähigen Partikeln als eine poröse Schicht hergestellt, die ein Gasdiffusionsvermögen aufweist. Zum Beispiel werden die Anodenelektrode 52 und die Kathodenelektrode 51 als eine getrocknete Deckschicht aus einer Katalysatortinte, welche eine Lösung von dispergiertem Platin-tragendem Kohlenstoff ist, hergestellt.
Das Wasserstoffgas wird der Anodenelektrode 52 von der Trennplatte 2 auf der Anodenseite zu der Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenschicht zugeführt, und das Oxidationsgas wird der Kathodenelektrode 51 von der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite durch die Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenschicht bereitgestellt. Die MEA 5 erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion unter Verwendung des Oxidationsgases und des Wasserstoffgases Strom.
Zum Beispiel sind die Trennplatten 1, 2 aus einer Metallplatte hergestellt. In der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite sind ein Zuführloch bzw. Zuführöffnung 13 und ein Auslassloch 14 für das Oxidationsgas (zum Beispiel Luft), ein Zuführloch 16 und ein Auslassloch 11 für das Wasserstoffgas, und ein Zuführloch 12 und ein Auslassloch 15 für ein Kühlmittel ausgebildet.
Jedes der Zuführlöcher 12, 13, 16 und der Auslasslöcher 11, 14, 15 ist ein Durchgangsloch, welches sich in Richtung einer Dicke der Trennplatte 1 erstreckt, und zum Beispiel weist die Öffnung des Loches eine rechteckige Gestalt auf. Das Zuführloch 13 und das Auslassloch 14 für das Oxidationsgas sind jeweils in der Nähe eines Paares von gegenüberliegenden Winkeln der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite angeordnet, und das Zuführloch 16 und das Auslassloch 11 für das Wasserstoffgas sind jeweils in der Nähe des anderen Paares der gegenüberliegenden Winkeln der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite angeordnet. Das Oxidationsgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird dem Zuführloch 13 zugeführt und das Oxidationsgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird an das Auslassloch 14 ausgegeben.
In der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite ist eine Strömungswegnutgruppe 10 in einer der Gasdiffusionsschicht 30 zugewandten Oberfläche 1a auf der Kathodenseite im Trägerrahmen 3 auf der Kathodenseite, zum Beispiel durch Biegen unter Verwendung einer Druckplatte, ausgebildet. Insbesondere in der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite sind die Rippen, welche die Strömungswegnutgruppe 10 bilden, durch Biegen der Metallplatte unter Verwendung einer Druckplatte hergestellt. Das heißt, die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite ist eine Metallplatte, welche eine gewellte Plattengestalt entsprechend der Strömungswegnutgruppe 10 aufweist. Die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite ist nicht auf Metall beschränkt und kann außerdem durch, zum Beispiel, Kohlenstoffformung ausgebildet werden.
Die Strömungswegnutgruppe 10 ist mit dem Zuführloch 13 und dem Auslassloch 14 für das Oxidationsgas in Verbindung und ermöglicht dem Oxidationsgas, vom Zuführloch 13 zum Auslassloch 14 zu strömen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Oxidationsgas der MEA 5 durch die Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenseite zugeführt, um für die Stromerzeugung verwendet zu werden, und kehrt dann zu den Strömungswegnutgruppen 10 durch die Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenseite zurück.
Das Wasserstoffgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird dem Zuführloch 16 zugeführt, und das Wasserstoffgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird an das Auslassloch 11 ausgegeben. Das Kühlmittel, welches die Brennstoffzelle kühlt, wird dem Zuführloch 12 zugeführt, und das Kühlmittel wird an das Auslassloch 15 abgegeben.
Die Trägerrahmen 3, 4 und die Trennplatte 2 auf der Anodenseite sind mit Durchgangslöchern bzw. Durchlässen versehen, welche das Zuführloch 13 und das Auslassloch 14 während des Stapelns überlappen. Insbesondere sind die Trägerrahmen 3, 4 mit Zufuhrlöchern 33, 43 versehen, denen das Oxidationsgas zugeführt wird, und Auslasslöcher 34, 44, an die das Oxidationsgas abgegeben wird. Die Trennplatte 2 auf der Anodenseite ist mit einem Zuführloch 23 versehen, an welches das Oxidationsgas zugeführt wird und ein Auslassloch 24, an welches das Oxidationsgas abgegeben wird.
Die Zuführlöcher 13, 33, 43, 23 überlappen und stellen eine Oxidationsgas-Zuführsammelleitung dar. Das Oxidationsgas strömt in eine Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in der Oxidationsgas-Zuführsammelleitung, wie durch den Pfeil Ain angezeigt.
Die Auslasslöcher 14, 34, 44, 24 überlappen und stellen eine Oxidationsgas-Abgabesammelleitung dar. Das Oxidationsgas strömt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in die Oxidationsgas-Abgabesammelleitung, wie durch den Pfeil Aout angezeigt.
Zusätzlich werden in der Trennplatte 2 auf der Anodenseite ferner ein Zuführloch 26 und ein Auslassloch 21 für das Wasserstoffgas, und ein Zuführloch 22 und ein Auslassloch 25 für das Kühlmittel gebildet.
Jedes der Zuführlöcher 22, 23, 26 und der Auslasslöcher 21, 24, 25 ist ein Durchgangsloch bzw. Durchlass, welches sich in Richtung einer Dicke der Teilplatte 2 erstreckt, und zum Beispiel weist die Öffnung des Loches eine rechteckige Gestalt auf. Das Zuführloch 23 und das Auslassloch 24 für das Oxidationsgas sind jeweils in der Nähe eines Paares von entgegengesetzten Winkeln der Trennplatte 2 auf der Anodenseite angeordnet, und das Zuführloch 26 und das Auslassloch 21 für das Wasserstoffgas sind jeweils in der Nähe des anderen Paares von entgegengesetzten Winkeln der Trennplatte 2 auf der Anodenseite angeordnet. Das Wasserstoffgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird dem Zuführloch 26 zugeführt, und das Wasserstoffgas, welches für die Stromerzeugungsreaktion verwendet wird, wird an das Auslassloch 21 abgegeben.
In der Teilplatte 2 auf der Anodenseite ist eine Strömungswegnutgruppe 20 in einer der Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenseite zugewandten Oberfläche 2a auf der Anodenseite, im Trägerrahmen 4, zum Beispiel durch Biegen unter Verwendung einer Druckplatte, gebildet. Insbesondere in der Trennplatte 2 auf der Anodenseite sind Rippen, welche die Strömungswegnutgruppe 20 bilden, durch Biegen einer Metallplatte unter Verwendung einer Druckplatte ausgebildet. Das heißt, die Trennplatte 2 auf der Anodenseite ist eine Metallplatte, welche eine gewellte Plattenform, entsprechend der Strömungswegnutgruppe 20, aufweist. Die Trennplatte 2 auf der Anodenseite ist nicht auf Metall beschränkt und kann außerdem durch, zum Beispiel, Kohlenstoffformung geformt sein bzw. werden.
Die Strömungswegnutgruppe 20 ist mit dem Zuführloch 26, und dem Auslassloch 21 für das Wasserstoffgas in Verbindung und erlaubt dem Wasserstoffgas, vom Zuführloch 26 zum Auslassloch 21 zu strömen. Zu diesem Zeitpunkt, wird das Wasserstoffgas der MEA 5 durch die Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenseite zugeführt, um zur Stromerzeugung verwendet zu werden, und kehrt dann zur Strömungswegnutgruppe 20 durch die Gasdiffusionsschicht 40 auf der Anodenseite zurück.
Die Trägerrahmen 3, 4 sind mit Durchgangslöchern versehen, welche das Zuführloch 26 und das Auslassloch 21 während des Stapelns überlappen. Insbesondere sind die Trägerrahmen 3, 4 mit Zuführlöchern 36, 46 versehen, an die das Wasserstoffgas zugeführt wird und Auslasslöcher 31, 41, an welche das Wasserstoffgas abgegeben wird.
Die Zuführlöcher 16, 36, 46, 26 überlappen und bilden eine Wasserstoffgas-Zuführsammelleitung. Das Wasserstoffgas strömt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in der Wasserstoffgas-Zuführsammelleitung, wie durch den Pfeil Hin angezeigt.
Die Auslasslöcher 11, 31, 41, 21 überlappen und bilden eine Wasserstoffgas-Auslasssammelleitung. Das Wasserstoffgas strömt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in der Wasserstoffgas-Auslasssammelleitung, wie durch den Pfeil Hout angezeigt.
Die Zuführlöcher 12, 32, 42, 22 für das Kühlmittel überlappen und bilden eine Kühlmittel-Zuführsammelleitung, und die Auslasslöcher 15, 35, 45, 25 für das Kühlmittel überlappen und bilden eine Kühlmittel-Auslasssammelleitung. Das Kühlmittel strömt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in der Kühlmittel-Zuführsammelleitung und der Wasserstoffgas-Zuführsammelleitung. Obwohl nicht abgebildet, strömt das Kühlmittel durch mindestens eine der Strömungswegnuten, welche auf der Oberfläche gegenüber der Oberfläche 1 a der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite ausgebildet ist, und den Strömungswegnuten, welche auf der Oberfläche gegen der Oberfläche 2a der Trennplatte 2 auf der Anodenseite ausgebildet sind, um die Brennstoffzelle zu kühlen.
Wie vorstehend beschrieben, ist die MEA 5, welche den Strom unter Verwendung des Oxidationsgases und des Wasserstoffgases erzeugt, zwischen den Trennplatten 1, 2 eingefügt. Die Oberflächen 1a, 2a der der MEA 5 zugewandten Trennplatten 1, 2 sind jeweils versehen mit den Strömungswegnutgruppen 10, 20, durch welche das Oxidationsgas und das Wasserstoffgas strömen, welche zu und von der MEA 5 geliefert werden. In diesem Beispiel ist die Brennstoffzelle mit den Gasdiffusionsschichten 30, 40 versehen, aber sie kann auch mit anderen porösen Schichten anstelle der Gasdiffusionsschichten 30, 40 versehen sein.
2 ist eine Draufsicht, welche ein Beispiel der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite zeigt. In diesem Beispiel wird die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite genannt, aber die nachstehend beschriebene Anordnung kann in ähnlicher Weise auf die Trennplatte 2 auf der Anodenseite angewendet werden.
In der Oberfläche 1a der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite wird die Strömungswegnutgruppe 10 gebildet, durch welche das Oxidationsgas strömt. Die Strömungswegnutgruppe 10 steht in Verbindung mit dem Zuführloch 13 und dem Auslassloch 14 für das Oxidationsgas. Die Strömungswegnutgruppe 10 ist mit den Zweigabschnitten 10a, 10b versehen, an welchen eine einzelne erste Strömungswegnut in eine Mehrzahl von zweiten Strömungswegnuten abgezweigt ist.
Am Zweigabschnitt 10a wird jede Nut, welche in Verbindung mit dem Zuführloch 13 steht, in eine Mehrzahl von zweiten Strömungswegnuten abgezweigt, und am Zweigabschnitt 10b wird jede Nut, welche mit dem Auslassloch 14 in Verbindung steht, in eine Mehrzahl von zweiten Strömungswegnuten abgezweigt. Deshalb kann die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite die MEA 5 mit dem Oxidationsgas durch Erhöhen der Anzahl der Strömungswegnuten, welche mit der Gasdiffusionsschicht 30 auf der Kathodenseite überlappen, ausreichend versorgen. Zusätzlich kann im Fall der Trennplatte 2 auf der Anodenseite die MEA 5 mit dem Wasserstoffgas durch Erhöhen der Anzahl der Strömungswegnuten ausreichend versorgt werden. In den folgenden Beispielen wird eine Anordnung eines Abschnittes des Zweigabschnitts 10a, welches mit dem Bezugszeichen P2 gekennzeichnet ist, beschrieben, aber dieselbe Anordnung kann auf die anderen Abschnitte der Zweigabschnitte 10a, 10b angewendet werden.
Vergleichsbeispiel
3 ist eine Draufsicht und eine Schnittansicht, welche den Zweigabschnitt 10a eines Vergleichsbeispiels zeigt. Am Zweigabschnitt 10a ist eine einzelne erste Strömungswegnut 100x in zwei zweite Strömungswegnuten 101x, 102x abgezweigt. Die Winkel θm, θn zwischen den Richtungen Lm, Ln, in welche sich die zweiten Strömungswegnuten 101x, 102x als Zweigrichtungen erstrecken, und eine Richtung Lo, in welche sich die erste Strömungswegnut 100x als eine Zweigquelle erstreckt, sind zueinander gleich. In 3 wird der Schnitt entlang des Liniensegments X-X‘, entlang der Strömungswegnut 100x, 102x, verwendet.
Eine Nuttiefe Do und eine Nutbreite Wo der Strömungswegnuten 100x bis 102x sind vor und nach dem Verzweigen konstant. Jedoch steigt eine Nutbreite Wa einer Kreuzung 100y der Strömungswegnuten 100x bis 102x von der ersten Strömungswegnut 100x als die Zweigquelle bis zu jeder der zweiten Strömungswegnuten 101x, 102x als die Zweigrichtungen.
Deshalb ist der Abstand zwischen den Rippen, welche die Strömungswegnuten 100x bis 102x bilden, am Zweigabschnitt 10a größer als diejenigen Abschnitte vor und nach der Verzweigung. Dementsprechend kann die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite nicht die MEA 5 mit den Rippen bei angemessenen Abständen halten, und der Bereich der MEA, welcher nicht durch die Rippen der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite verdichtet ist, nimmt zu bzw. wird größer.
In dem Bereich zieht bzw. dehnt sich die MEA 5 aufgrund von wiederholtem Trocknen und Befeuchten zusammen bzw. aus, und verformt sich wahrscheinlich somit. Deshalb treten in der MEA 5 Runzeln, Falten, und dergleichen auf, und somit verschlechtert sich die MEA. Dementsprechend gibt es zum Beispiel eine Möglichkeit, dass Querleckagen auftreten können.
Angesichts dessen kann, wenn sich die Nutbreite der gesamten Strömungswegnutgruppe 10 verengt, der Abstand zwischen den Rippen, sogar an den Zweigabschnitten 10a, 10b, ausreichend eingeengt werden, und der Bereich der MEA 5, welcher nicht verdichtet ist, kann verringert werden. Jedoch ist in diesem Fall in einem Herstellungsverfahren der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite, zum Beispiel, eine relative hohe Verarbeitungsgenauigkeit erforderlich, wenn die Strömungswegnuten durch Druckformung oder Kohlenstoffformung gestaltet werden. Deshalb ist es schwierig, die Herstellungseffizienz beizubehalten.
Hierbei werden die Trennplatten 1, 2 der Beispiele mit einem schmalen Abschnitt mit einer schmaleren Nutbreite, als der verbleibende Abschnitt in den Zweigabschnitten 10a, 10b versehen, und der schmalere Abschnitt ist angeordnet, um eine seichtere Nuttiefe aufweisen als der verbleibende Abschnitt. Mit dieser Anordnung kann der Abstand zwischen den Rippen durch Bereitstellung des schmalen Abschnittes in den Trennplatten 1, 2 an den Zweigabschnitten 10a, 10b, verringert werden, und somit kann die MEA 5 bei geeigneten Abständen durch die Rippen gehalten werden.
Ferner können die Trennplatten 1, 2 leicht durch Druckformung, Kohlenstoffformung, oder dergleichen hergestellt werden, da die Nuttiefe des schmalen Abschnitts seichter ist als diejenigen des verbleibenden Abschnitts in den Trennplatten 1, 2, und somit kann die Herstellungseffizienz beibehalten werden. Zum Beispiel kann in einem Fall, in dem die Trennplatten 1, 2 durch Druckformung hergestellt wurden, ein Anstieg in der Menge eines durch die Formung ausgedehnten Materials unterdrückt werden, da die Nuttiefe des schmalen Abschnitts seicht ist, obwohl dessen Nutbreite schmal ist. Dadurch wird ein Erhöhen der Anzahl an Verarbeitungsverfahren unterdrückt, und die Herstellung wird vereinfacht. Zusätzlich kann in einem Fall, in dem die Trennplatten 1, 2 durch Kohlenstoffformung hergestellt werden, die Form leicht hergestellt werden, und außerdem kann die Lebensdauer der Form erhöht werden, da die Nuttiefe des schmalen Abschnitts seicht ist, obwohl dessen Nutbreite schmal ist. Dementsprechend ist es möglich, die Herstellungseffizienz der Trennplatten 1, 2 beizubehalten.
Erste Ausführungsform
4 ist eine Draufsicht und eine Schnittansicht, welche den Zweigabschnitt 10a einer ersten Ausführungsform darstellen. Am Zweigabschnitt 10a wird eine einzelne erste Strömungswegnut 100 in zwei zweite Strömungswegnuten 101, 102 abgezweigt. Die Winkel θm, θn zwischen den Richtungen Lm, Ln, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als Zweigrichtungen erstrecken, und die Richtung Lo, in welche sich die erste Strömungswegnut 100 als eine Zweigquelle erstreckt, sind zueinander gleich. In 4 wurde der Schnitt entlang des Liniensegments Xa-Xb, entlang der Strömungswegnuten 100, 102, verwendet.
Ein schmaler Abschnitt 101a ist am Einlass der zweiten Strömungswegnut 101 als der Zweigrichtung angeordnet, und ein schmaler Abschnitt 102a ist am Eingang der zweiten Stömungswegnut 102 als Zweigrichtung angeordnet. Eine Nutbreite Wm des schmalen Abschnitts 101a und eine Nutbreite Wn des schmalen Abschnitts 102a sind schmaler als die Nutbreite Wo der anderen Abschnitte. Der Eingang der zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung zeigt einen Abschnitt der zweiten Strömungswegnut 101 an, welche der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle am nächsten ist.
Deshalb kann in der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite der Abstand zwischen den Rippen am Zweigabschnitt 10a vermindert werden, und somit kann die MEA 5 mit den Rippen bei geeigneten Abständen gehalten werden.
Insbesondere weitet sich die Nutbreite Wm des schmalen Abschnitts 101a allmählich von der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle zur zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung, und die Nutbreite Wn des schmalen Abschnitts 102a weitet sich allmählich von der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle zur zweiten Strömungswegnut 102 als die Zweigrichtung. In 4 sind die minimalen Nutbreiten Wm, Wn der schmalen Abschnitte 101a, 102a durch Pfeile angezeigt.
Die Nutbreite Wm des schmalen Abschnitts 101a und der Nutbreite Wn des schmalen Abschnitts 102a können sich voneinander unterscheiden, oder können gleich sein. Dies liegt daran, dass die Winkel θm, θn der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen zueinander gleich sind, und somit dem Oxidationsgas, welches von der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle strömt, erlaubt werden kann in die zweiten Strömungsnuten 101, 102 mit im Wesentlichen derselben Strömungsgeschwindigkeit zu strömen.
Ferner sind die Nuttiefen der schmalen Abschnitte 101a, 102a seichter als diejenigen der anderen Abschnitte. Insbesondere ist unter den Bodenflächen 90 bis 96 der Strömungswegnuten 100 bis 102, eine Bodenfläche 92 der schmalen Abschnitte 101a, 102a, das heißt, der Eingänge der zweiten Strömungswegnuten 101, 102, als die Zweigrichtungen höher als die anderen Bodenflächen 90, 91, 93, 94, 95, 96.
Wie in dem Abschnitt dargestellt, ist die Nuttiefe Do der Bodenfläche 90 der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle und die Bodenfläche 96 der zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung tiefer als die Nuttiefe Dn der Kreuzung der drei Strömungswegnuten 100 bis 102 einschließlich der schmalen Abschnitte 101a, 102a. Zusätzlich ist die Bodenfläche 91 der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle als eine geneigte Oberfläche, für eine Verbindung zwischen der Bodenfläche 90 und die Bodenfläche 92 ausgebildet, und die Nuttiefe der Bodenfläche 91 wird von der Bodenfläche 90 zur Bodenfläche 92 hin seichter. Die Bodenfläche 95 der zweiten Strömungswegnut 102 als die Zweigrichtung ist als eine geneigte Oberfläche für eine Verbindung zwischen der Bodenfläche 96 und der Bodenfläche 92 ausgebildet, und die Nuttiefe der Bodenfläche 95 wird von der Bodenfläche 96 zur Bodenfläche 92 hin seichter.
Auch wenn nicht in einem Abschnitt dargestellt, ist die Nutttiefe Do der Bodenfläche 94 der zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung tiefer als die Nuttiefe Dn der Kreuzung der drei Strömungswegnuten 100 bis 102 einschließlich der schmalen Abschnitte 101a, 102a. Die Bodenfläche 93 der zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung ist als eine geneigte Oberfläche ausgebildet für eine Verbindung zwischen der Bodenfläche 94 und der Bodenfläche 92, und die Nuttiefe der Bodenfläche 93 wird von der Bodenfläche 94 zur Bodenfläche 92 hin seichter.
In der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite kann, da die Nuttiefe Dn der schmaleren Abschnitte 101a, 102a seichter ist als diejenigen des verbleibenden Abschnitts, wie obenstehend beschrieben, die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite durch Druckformung, Kohlenstoffformung, oder dergleichen leicht hergestellt werden, und somit kann die Herstellungseffizienz erhalten bleiben. Ferner wird, da die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite eine Metallplatte mit einer gewellten bzw. gerippten Plattenform entsprechend der Strömungswegnutgruppe 10 ist, die Herstellungseffizienz besonders effektiv beibehalten.
In diesem Beispiel wird ein Anstieg des Druckverlusts in der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle, bei der die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases hoch ist, unterdrückt, da die schmalen Abschnitte 101a, 102a ausschließlich bei den Eingängen der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen unter den drei Strömungswegnuten 100 bis 102 angeordnet sind. Wie jedoch in den folgenden Beispielen gezeigt, kann ein schmaler Abschnitt 100a auch am Eingang der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle angeordnet sein.
Zweite Ausführungsform
5 ist eine Draufsicht, welche den Zweigabschnitt 10a einer zweiten Ausführungsform darstellt. In 5 sind ähnliche Anordnungen zu denen in 4 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird ausgelassen. In 5 wurde der Schnitt entlang des Liniensegments Xa-Xb, entlang der Strömungswegnuten 100, 102, verwendet.
Der schmale Abschnitt 101a ist am Eingang der zweiten Strömungswegnut 101 als die Zweigrichtung angeordnet, und der schmale Abschnitt 102a ist am Eingang der zweiten Strömungswegnut 102 als die Zweigrichtung angeordnet. Der schmale Abschnitt 100a ist außerdem am Eingang der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle angeordnet. Die Nutbreite Wm des schmalen Abschnitts 101a, und die Nutbreite Wn des schmalen Abschnitts 102a, und eine Nutbreite Wk des schmalen Abschnitts 100a sind schmaler als die Nutbreite Wo des verbleibenden Abschnitts. Der Eingang der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle zeigt einen Abschnitt der ersten Strömungswegnut 100 an, welcher der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen am nächsten ist.
Deshalb kann in der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite der Abstand zwischen den Rippen am Zweigabschnitt 10a weiter vermindert werden als in der ersten Ausführungsform, und deshalb kann die MEA 5 mit den Rippen mit geeigneten Abständen gehalten werden.
Ferner sind die Nuttiefen der schmalen Abschnitte 101a, 102a seichter als der verbleibende Abschnitt. Insbesondere ist unter den Bodenflächen 90 bis 96 der Strömungswegnuten 100 bis 102, die Bodenfläche 92 der schmalen Abschnitte 100a bis 102a, das heißt, der Eingänge der Strömungswegnuten 100 bis 102, höher als die anderen Bodenflächen 90, 91, 93, 94, 95, 96.
In der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite kann, da die Nuttiefe Dn der schmalen Abschnitte 100a bis 102a seichter ist als der verbleibende Abschnitt, wie vorstehend beschrieben, die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite durch Druckformen, Kohlenstoffformen, oder dergleichen leicht hergestellt werden, und somit kann die Herstellungseffizienz beibehalten werden.
Ferner stehen in dem Fall, in dem die schmalen Abschnitte 100a bis 102a bereitgestellt sind, die Seitenwände der Strömungswegnuten 100 bis 102 bei den schmalen Abschnitten 100a bis 102a bis zur Innenseite bzw. zum Inneren der Strömungswegnuten vor, und somit ist der Abstand zwischen den anderen Strömungswegnuten neben der ersten Strömungswegnut 100 und den Strömungswegnuten 100 bis 102 größer als diejenigen in den anderen Abschnitten. Deshalb besteht die Möglichkeit, dass die Zufuhr des Oxidationsgases in einem Bereich zwischen den anderen benachbarten Strömungswegnuten und den schmalen Abschnitten 100a bis 102a unzureichend bzw. ungenügend ist. Deshalb kann, wie im folgenden Beispiel dargestellt, eine feine Strömungswegnut, durch welche das Oxidationsgas in den Bereich strömt, bereitgestellt sein.
Dritte Ausführungsform
6 ist eine Draufsicht, welche den Zweigabschnitt 10a einer dritten Ausführungsform darstellt. In 6 werden ähnliche Anordnungen zu den in 4 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird ausgelassen. In diesem Beispiel wird die Anordnung der ersten Ausführungsform als eine Basis übernommen, aber die nachstehend beschriebene Anordnung kann ebenfalls auf die Anordnung der zweiten Ausführungsform angewendet werden.
Zwei dritte Strömungswegnuten 81, 82 befinden sich neben der ersten Strömungswegnut 100, die dritte Strömungswegnut 81 ist entlang den Strömungswegnuten 100, 101 ausgebildet, und die dritte Strömungswegnut 82 ist entlang den Strömungswegnuten 100, 102 ausgebildet. An dem schmalen Abschnitt 101a steht die Seitenwand der zweiten Strömungswegnut 101 bis zur Innenseite bzw. zum Inneren der Strömungswegnut hervor, und der Abstand zwischen der dritten Strömungswegnut 81 und dem schmalen Abschnitt 101a ist länger als diejenigen der anderen Abschnitte. Zusätzlich steht an dem schmalen Abschnitt 102a die Seitenwand der zweiten Strömungswegnut 102 bis zur Innenseite bzw. zum Inneren der Strömungswegnut hervor, und der Abstand zwischen der dritten Strömungswegnut 82 und dem schmalen Abschnitt 102a ist länger als diejenigen der anderen Abschnitte.
Deshalb ist eine feine Strömungswegnut 103, durch welche das Oxidationsgas zwischen der dritten Strömungswegnut 81 und dem schmalen Abschnitt 101a strömt, in einem Bereich 810 zwischen der dritten Strömungswegnut 81 und dem schmalen Abschnitt 101a angeordnet, und es ist eine feine Strömungswegnut 104, durch welche das Oxidationsgas zwischen der dritten Strömungswegnut 82 und dem schmalen Abschnitt 102a strömt, in einem Bereich 820 zwischen der dritten Strömungswegnut 82 und dem schmalen Abschnitt 102a angeordnet. Das heißt, die Strömungswegnutgruppe 10 umfasst die feine Strömungswegnut 103, die eine Verbindungsnut ist, welche der dritten Strömungswegnut 81 und dem schmalen Abschnitt 101a erlaubt, miteinander in Verbindung zu sein, und die feine Strömungswegnut 104, die eine Verbindungsnut ist, welche der dritten Strömungswegnut 82 und dem schmalen Abschnitt 102a erlaubt, miteinander in Verbindung zu sein.
Deshalb wird eine unzureichende Zufuhr des Oxidationsgases zum Bereich 810, zwischen der dritten Strömungswegnut 81 und dem schmalen Abschnitt 101a, und dem Bereich 820, zwischen der dritten Strömungswegnut 82 und dem schmalen Abschnitt 102a, unterdrückt.
Zusätzlich ist die Nutbreite der feinen Strömungswegnuten 103, 104 schmaler als die Nutbreite der schmalen Abschnitte 101a, 102a. Deshalb kann in der Trennplatte 1 auf der Kathodenseite der Abstand zwischen den Rippen am Zweigabschnitt 10a auf dasselbe Ausmaß bzw. im selben Umfang wie in der ersten Ausführungsform vermindert werden, und somit kann die MEA 5 mit den Rippen bei bzw. in geeigneten Abständen gehalten werden.
Ferner ist die Nuttiefe der feinen Strömungswegnuten 103, 104 seichter als die Nuttiefe der schmalen Abschnitte 101a, 102a. Deshalb kann die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite durch Druckformen, Kohlenstoffformen, oder dergleichen leicht hergestellt werden, und somit kann die Herstellungseffizienz beibehalten werden.
In jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind die Winkel θm, θn zwischen den Richtungen Lm, Ln, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen erstrecken, und die Richtung Lo, in welcher sich die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle erstreckt, zueinander gleich. Jedoch sind die Winkel θm, θn nicht darauf beschränkt und können sich voneinander unterscheiden. In diesem Fall unterscheidet sich die Strömungsfähigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102 strömt, entsprechend den Winkeln θm, θn. Deshalb kann, wie in dem folgenden Beispiel, die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102 strömt, dadurch vereinheitlicht werden, dass sich die Nutbreiten der schmalen Abschnitte 101a, 102a der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 entsprechend den Winkeln θm, θn unterscheiden.
Vierte Ausführungsform
7 ist eine Draufsicht, welche den Zweigabschnitt 10a einer vierten Ausführungsform darstellt. In 7 sind ähnliche Anordnungen zu denen in 4 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird ausgelassen. In diesem Beispiel wird die Anordnung der ersten Ausführungsform als eine Basis übernommen, aber die nachstehend beschriebene Anordnung kann außerdem auf die Anordnung der zweiten Ausführungsform angewendet werden.
In diesem Beispiel unterscheiden sich die Winkel θm, θn‘ zwischen den Richtungen Lm, Ln‘, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen erstrecken, und die Richtung Lo, in welcher sich die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle erstreckt, voneinander. Der Winkel θm der zweiten Strömungswegnut 101 ist kleiner als der Winkel θn‘ der zweiten Strömungswegnut 102. Das heißt, der Grad der Biegung der zweiten Strömungswegnut 102 ist, bezogen auf die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle, größer als jener der zweiten Strömungswegnut 101.
Das Oxidationsgas, welches von der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle strömt, strömt leichter zu der zweiten Stömungswegnut 101 mit dem kleineren Winkel θm als zu der zweiten Strömungswegnut 102 mit einem größeren Winkel θn‘. Deshalb unterscheiden sich die Nutbreiten Wm, Wn‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 gemäß den Winkeln θm, θn‘, sodass es keinen Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases zwischen der zweiten Strömungswegnut 102 mit dem größeren Winkel θn‘ und der zweiten Strömungswegnut 101 mit dem kleineren Winkel θm gibt.
Insbesondere ist die Nutbreite Wm des schmalen Abschnitts 101a der zweiten Strömungswegnut 101 mit dem kleineren Winkel θm schmaler als die Nutbreite Wn‘ der zweiten Strömungswegnut 102 mit dem größeren Winkel θn‘. Das heißt, die Nutbreiten Wm, Wn‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a sind derart eingestellt, dass die Nutbreite bei höheren Winkeln θm, θn‘ zwischen den Richtungen Lm, Ln‘, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen erstrecken, und der Richtung Lo, in der sich die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle erstreckt, breiter ist. Deshalb ist die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102 strömt, eingestellt, um durch die Strömungswegnuten Wm, Wn‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a einheitlich zu sein.
Deshalb kann durch Bewirken der Vereinheitlichung der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102 strömt, die Menge an durch die gesamte MEA 5 erzeugten Strom einheitlich verteilt werden. Sogar in dieser Ausführungsform können die vorstehend beschriebenen feinen Strömungswegnuten 103, 104 bereitgestellt werden.
In jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Anzahl der zweiten Strömungswegnuten 101, 102 als die Zweigrichtungen zwei, aber die Anzahl davon ist nicht darauf beschränkt. Wie in dem folgenden Beispiel dargestellt, kann eine Strömungswegnutgruppe 19 den Zweigabschnitt 10a umfassen, in welchem eine einzelne Strömungswegnut in drei Strömungswegnuten abgezweigt ist.
Fünfte Ausführungsform
8 ist eine Draufsicht, welche den Zweigabschnitt 10a einer fünften Ausführungsform darstellt. In 8 sind ähnliche Anordnungen zu denen in 7 durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird ausgelassen. In diesem Beispiel ist die Anordnung der vierten Ausführungsform als eine Basis übernommen, aber die nachstehend beschriebene Anordnung kann ebenfalls auf die Anordnungen der zweiten und dritten Ausführungsformen angewendet werden.
Am Zweigabschnitt 10a ist die einzelne erste Strömungswegnut 100 in drei zweite Strömungswegnuten 101, 102, 105 abgezweigt. Die zweite Strömungswegnut 105 als eine Zweigrichtung erstreckt sich zwischen den zweiten Strömungswegnuten 101, 102, als die anderen Zweigrichtungen.
Ein schmaler Abschnitt 105a ist am Eingang der zweiten Strömungswegnut 105 als die Zweigrichtung angeordnet. Eine Nutbreite Wk‘ des schmalen Abschnitts 105a ist schmaler als die Nutbreite Wo der anderen Abschnitte. Insbesondere verbreitert sich die Nutbreite Wk‘ des schmalen Abschnitts 105a allmählich von der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle zur zweiten Strömungswegnut 105 als die Zweigrichtung hin. In 8 ist die minimale Nutbreite Wk‘ des schmalen Abschnitts 105a durch den Pfeil angezeigt.
Ferner sind die Nuttiefen der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a seichter als jene der anderen Abschnitte. Insbesondere ist unter den Bodenflächen 90 bis 98 der Strömungswegnuten 100 bis 105, die Bodenfläche 92 der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a, das heißt, die Eingänge der zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 als die Zweigrichtungen, höher als die anderen Bodenflächen 90, 91, 93, 94, 95, 96, 97, 98.
Die Nuttiefe Do der Bodenfläche 90 der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle und der Bodenfläche 98 der zweiten Strömungswegnut 105 als die Zweigrichtung ist tiefer ist als die Nuttiefe Dn der Kreuzung der vier Strömungswegnuten 100 bis 102, 105 einschließlich der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a. Die Bodenfläche 97 der zweiten Strömungswegnut 105 als die Zweigrichtung ist als eine geneigte Oberfläche für eine Verbindung zwischen der Bodenfläche 98 und der Bodenfläche 92 ausgebildet, und die Nuttiefe der Bodenfläche 97 wird von der Bodenfläche 98 zur Bodenfläche 92 hin seichter.
Die Winkel θm, θn‘, θk zwischen den Richtungen Lm, Ln‘, Lk, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 als die Zweigrichtungen erstrecken, und die Richtung Lo, in welcher sich die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle erstreckt, unterscheiden sich voneinander. Der Winkel θk der zweiten Strömungswegnut 105 ist kleiner als die Winkel θm, θn‘ der anderen zweiten Strömungswegnuten 101, 102. Das heißt, der Grad der Biegung der zweiten Strömungswegnut 105 bezogen auf die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle ist der kleinste.
Deshalb strömt das Oxidationsgas, welches von der ersten Strömungswegnut 100 als der Zweigquelle strömt, leichter zu der zweiten Strömungswegnut 105, welche den kleinsten Winkel θk aufweist. Deshalb unterscheiden sich die Nutbreiten Wm, Wn‘, Wk‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a von den zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 gemäß den Winkeln θm, θn‘, θk, sodass es keinen Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases zwischen der zweiten Strömungswegnut 102 mit dem größten Winkel θn‘, der zweiten Strömungswegnut 101 mit dem zweitgrößten Winkel θm, und der zweiten Strömungswegnut 105 mit dem kleinsten Winkel θk gibt.
Insbesondere ist die Nutbreite Wk‘ des schmalen Abschnitts 105a der zweiten Strömungswegnut 105 mit dem kleinsten Winkel θk kleiner als die Nutbreiten Wm, Wn‘ der anderen zweiten Strömungswegnuten 101, 102. Das heißt, die Nutbreiten Wm, Wn‘, Wk‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a werden so eingestellt, dass die Nutbreite bei größeren Winkeln von bzw. als θm, θn‘, θk zwischen den Richtungen Lm, Ln‘, Lk, in welchen sich die zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 als die Zweigrichtungen erstrecken, und der Richtung Lo breiter ist, in welcher sich die erste Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle erstreckt. Deshalb wird die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 strömt, durch die Nutbreiten Wm, Wn‘, Wk‘ der schmalen Abschnitte 101a, 102a, 105a eingestellt, um einheitlich zu sein. Zusätzlich kann die Beziehung zwischen den Nutbreiten Wm, Wn‘, Wk‘ und den Winkeln θm, θn‘, und θk, zum Beispiel, eine proportionale Beziehung oder eine diskontinuierliche, stufenartige, zunehmende Beziehung sein, aber ist nicht darauf beschränkt.
Deshalb kann durch Bewirken einer einheitlich Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches zu den zweiten Strömungswegnuten 101, 102 strömt, die Menge an durch die gesamte MEA 5 erzeugten Strom einheitlich verteilt sein. Zusätzlich wird in einem Fall, bei dem die Anordnungen dieses Beispiels und der vierten Ausführungsform auf den Zweigabschnitt 10b angewendet werden, eine einheitliche Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases, welches von den zweiten Strömungswegnuten 101, 102, 105 als die Zweigrichtungen zu der ersten Strömungswegnut 100 als die Zweigquelle strömt, durch die Nutbreiten Wm, Wn‘, Wk‘ gemäß den Winkeln θm, θn‘ θk bewirkt.
Die Anordnung jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann ebenfalls auf die Strömungswegnutgruppe 20 der Trennplatte 2 auf der Anodenseite angewendet werden, und in diesem Fall werden dieselben Wirkungen, wie vorstehend beschrieben, erhalten. Durch Anwenden der Anordnung auf jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, auf die Trennplatte 1 auf der Kathodenseite und/oder die Trennplatte 2 auf der Anodenseite, werden die vorstehend beschriebenen Wirkungen erhalten. In einem Fall, bei dem die Anordnung auf beide Trennplatten 1, 2 angewendet wird, nehmen die Wirkungen zu.
Wie vorstehend beschrieben, kann mit den Trennplatten 1, 2 der Ausführungsformen, oder der mit den Trennplatten 1, 2 versehenen Brennstoffzelle die Herstellungseffizienz beibehalten werden, während die Verschlechterung in der MEA 5 unterdrückt wird.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind geeignete Beispiele für die Erfindung. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, und verschiedene Modifizierungen können ausgeführt werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 200959685 [0004]
JP 2009 [0004]
JP 59685 A [0004]
JP 200981061 [0004]
JP 200981061 A [0004]
JP 2007207731 [0004]
JP 2007207731 A [0004]
JP 2007207730 [0004]
JP 2007207730 A [0004]
JP 2004178816 [0004]
JP 2004178816 A [0004]
JP 2012119169 [0005]
JP 2012119169 A [0005]

Claims

Trennvorrichtung für eine Brennstoffzelle, wobei die Trennvorrichtung umfasst: eine Trennplatte (1, 2), versehen mit einer Strömungswegnutgruppe (10, 20), durch welche das Reaktionsgas für die Brennstoffzelle strömt, wobei die Strömungswegnutgruppe (10, 20) eine einzelne erste Strömungswegnut (100), eine Mehrzahl von zweiten Strömungswegnuten (101, 102, 105), und einen Zweigabschnitt (10a, 10b), welcher einen Endabschnitt der ersten Strömungswegnut (100) mit Endabschnitten der zweiten Strömungswegnuten (101, 102, 105) verbindet, umfasst; wobei der Zweigabschnitt (10a, 10b) einen schmalen Abschnitt (101a, 102a, 105a) umfasst der eine schmalere Nutbreite (Wm, Wn, Wn‘, Wk‘) als eine Nutbreite (Wo) eines verbleibenden Abschnittes des Zweigabschnitts aufweist, und eine Nuttiefe (Dn) des schmalen Abschnitts (101a, 102a, 105a) ist seichter als eine Nuttiefe (Do) des verbleibenden Abschnitts des Zweigabschnitts.
Trennvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der schmale Abschnitt (101a, 102a, 105a) mit einem Eingang einer jeden der zweiten Strömungswegnuten (101, 102, 105) verbunden ist.
Trennvorrichtung nach Anspruch 2, wobei: Winkel (θm, θn) zwischen einer Richtung, in welche sich jede der zweiten Strömungswegnuten (101, 102) erstreckt, und einer Richtung, in welcher sich die einzelne erste Strömungswegnute (100) erstreckt, zueinander gleich sind; und die Nutbreiten (Wm, Wn) der schmalen Abschnitte (101a, 102a), die jeweils mit den Eingängen der zweiten Strömungswegnuten (101, 102) verbunden sind, zueinander gleich sind.
Trennvorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede der zweiten Strömungswegnuten (101, 102) einen Winkel aufweist, welcher zwischen einer Richtung, in welcher sich die zweite Strömungswegnut erstreckt, und eine Richtung, in welcher sich die einzelne erste Strömungswegnut erstreckt, ausgebildet ist, und die Nutbreite des schmalen Abschnitts (101a, 102a), welcher mit dem Eingang der zweiten Strömungswegnut mit dem größeren Winkel verbunden ist, breiter ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der schmale Abschnitt (100a) mit einem Eingang der einzelnen ersten Strömungswegnut verbunden ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strömungswegnutgruppe eine Verbindungsnut (103, 104) umfasst, welche eine Verbindung zwischen einer dritten Strömungswegnut (81, 82) neben der einzelnen ersten Strömungswegnut und dem schmalen Abschnitt (101a, 102a) bereitstellt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Nutbreite der Verbindungsnut (103, 104) schmaler ist als die Nutbreite des schmalen Abschnitts (101a, 102a).
Trennvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Nuttiefe der Verbindungsnut (103, 104) seichter ist als die Nuttiefe des schmalen Abschnitts (101a, 102a).
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Trennplatte eine Metallplatte mit einer gewellten Plattenform, entsprechend der Strömungswegnutgruppe, ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei an einem Punkt, an dem der Endabschnitt der ersten Strömungswegnut (100) und dem Zweigabschnitt (10a, 10b) miteinander verbunden sind, eine Bodenfläche (90) der ersten Strömungswegnut (100) und eine Bodenfläche (92) des Zweigabschnitts (10a, 10b) durch eine geneigte Oberfläche miteinander verbunden sind.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei an einem Punkt, an dem der Endabschnitt der zweiten Strömungswegnut (101, 102) und der Zweigabschnitt (10a, 10b) miteinander verbunden sind, eine Bodenfläche der zweiten Strömungswegnut (101, 102) und die Bodenfläche des Zweigabschnitts (10a, 10b) durch eine geneigte Oberfläche miteinander verbunden sind.
Brennstoffzelle, umfassend: eine Membranelektrodeneinheit, welche unter Verwendung eines Reaktionsgases Strom erzeugt; und ein Paar von Trennvorrichtungen, zwischen welchen die Membranelektrodeneinheit eingefügt ist, wobei mindestens eine der Trennvorrichtungen die Trennvorrichtung für die Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ist.