DE102018103971A1

DE102018103971A1 - Brennstoffzellenstapel und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018103971A1
Application number: DE102018103971.9A
Authority: DE
Inventors: Takuya Kurihara; Nobuaki Nonoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US10862149B2; JP6756294B2; US20180294499A1; JP2018181533A; CN108695536A; CN108695536B

Abstract

Zumindest ein Separator von zwei Separatoren besteht aus einer pressgeformten Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen. Von Abschnitten der Vorsprünge und Vertiefungen ist ein Abschnitt, der in Richtung zur MEGA-Platte geht, als vertiefter Abschnitt bestimmt, und ein Abschnitt, der in Richtung von der MEGA-Platte weg geht, ist als vorstehender Abschnitt bestimmt. Der eine Separator hat einen ersten vertieften Abschnitt, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt, der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel kann in einen festgezogenen Zustand gebracht werden, bei welchem durch ein Spannelement eine Spann- bzw. Anzugskraft auf die mehreren Einzelzellen aufgebracht wird, sowie in einen nicht festgezogenen Zustand, bei dem keine Spannkraft aufgebracht wird. Die Einzelzellen sind derart ausgestaltet, dass der zweite vertiefte Abschnitt im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, und dass der zweite vertiefte Abschnitt im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 10. April 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2017-077 225 , deren gesamter Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und Herstellungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel.
Stand der Technik
Die JP 2016-173 909 A offenbart einen Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Einzelzellen zusammengestapelt sind. Jede Einzelzelle hat eine Membranelektrodenanordnung mit Gasdiffusionsschichten auf beiden Seiten, einen Tragrahmen, der um die Membranelektrodenanordnung geklebt ist, und zwei Separatoren, welche diese Elemente zwischen sich halten. Jeder Separator besteht aus einer Metallplatte mit Vertiefungen und Vorsprüngen. Vertiefte Abschnitte des Separators stehen mit der Gasdiffusionsschicht oder dem Tragrahmen in Kontakt. Vorstehende Abschnitte des Separators sind von der Membranelektrodenanordnung und dem Tragrahmen getrennt, um Gasströmungswege zu bilden. Vertiefte Abschnitte, die am Außenumfangsteil des Separators liegen, sind über eine Klebeschicht an einen Außenumfangsteil des Tragrahmens geklebt.
Grundsätzlich wird ein Brennstoffzellenstapel verwendet, in dem mehrere Einzelzellen mittels eines Befestigungs- bzw. Spannelements festgezogen sind. Beim Festziehen mehrerer Einzelzellen wird ein vorstehender Abschnitt, der an einen vertieften Abschnitt im Außenumfangsteil des Separators angrenzt, zum Tragrahmen gedrückt. Die Erfinder dieser Anmeldung haben herausgefunden, dass der Druck eine Gegenbelastung in vertieften Abschnitten des an den Tragrahmen geklebten Separators auslöst, was dazu führen kann, dass die vertieften Abschnitte vom Tragrahmen abgelöst werden können.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung, die gemacht wurde, um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, kann entsprechend der nachfolgend dargestellten Aspekte verwirklicht werden:
(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel geschaffen, aufweisend: mehrere Einzelzellen, die zusammengestapelt sind; und ein Spannelement, das ausgestaltet ist, um die mehreren Einzelzellen entlang einer Stapelrichtung der mehreren Einzelzellen zu festzuziehen. Jede der Einzelzellen umfasst: eine MEGA-Platte (MEGA = Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung) mit einer MEGA und einem Rahmenelement, das um die MEGA geklebt ist, und zwei Separatoren zum Halten der MEGA zwischen sich. Zumindest ein Separator von den zwei Separatoren besteht aus einer pressgeformten Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen, wobei von Abschnitten der Vorsprünge und Vertiefungen ein Abschnitt, der in Richtung zur MEGA-Platte geht, als vertiefter Abschnitt bestimmt ist, und ein Abschnitt, der in Richtung von der MEGA-Platte weg geht, als vorstehender Abschnitt bestimmt ist. Der eine Separator hat einen ersten vertieften Abschnitt, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt, der fortlaufend bzw. zusammenhängend oder durchgängig mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel kann in einen festgezogenen Zustand gebracht werden, bei welchem durch das Spannelement eine Anzug- bzw. Spannkraft auf die mehreren Einzelzellen aufgebracht wird, sowie in einen nicht festgezogenen Zustand, bei dem keine Spannkraft aufgebracht wird. Die Einzelzellen sind derart ausgestaltet, dass der zweite vertiefte Abschnitt im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, und dass der zweite vertiefte Abschnitt im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht.
Da bei dem Brennstoffzellenstapel dieses Aspekts der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, um einen Spalt dazwischen zu bilden, wird eine auf den ersten vorstehenden Abschnitt aufgebrachte Anzug- bzw. Spannkraft beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand durch den Spalt abgeschwächt bzw. entspannt. Daher kann, im Vergleich zu einem Fall, bei dem der zweite vertiefte Abschnitt im nicht festgezogenen Zustand mit dem Rahmenteil in Kontakt steht, die in einem ersten vertieften Abschnitt durch die Spannkraft, die auf den ersten vorstehenden Abschnitt aufgebracht wird, erzeugte Belastung verringert werden, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der an das Rahmenelement geklebte erste vertiefte Abschnitt vom Rahmenelement abgelöst wird.
(2) Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der eine Separator derart ausgestaltet sein, dass der erste vorstehende Abschnitt an einer Stelle innerhalb des ersten vertieften Abschnitts ausgebildet ist, während der zweite vertiefte Abschnitt innerhalb des ersten vorstehenden Abschnitts ausgebildet ist.
Da bei dem Brennstoffzellenstapel dieses Aspekts der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, wird die in dem ersten vertieften Abschnitt durch die Spannkraft, die auf den ersten vorstehenden Abschnitt aufgebracht wird, erzeugte Belastung beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand unterdrückt bzw. gedämpft, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der erste vertiefte Abschnitt vom Rahmenelement abgelöst wird.
(3) Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der andere Separator der zwei Separatoren, an Stellen, die dem ersten vertieften Abschnitt, dem ersten vorstehenden Abschnitt und dem zweiten vertieften Abschnitt des einen Separators jeweils gegenüberliegen, einen ersten vertieften Abschnitt haben, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt, der fortlaufend bzw. zusammenhängend oder durchgängig mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist. Die Einzelzellen können derart ausgestaltet sein, dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen, und dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen.
Da bei dem Brennstoffzellenstapel dieses Aspekts die zweiten vertieften Abschnitte der beiden Separatoren im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen, wird die in den ersten vertieften Abschnitten durch die Spannkraft, die auf die ersten vorstehenden Abschnitte aufgebracht wird, erzeugte Belastung beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand unterdrückt bzw. gedämpft, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die ersten vertieften Abschnitte vom Rahmenelement abgelöst werden.
(4) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, aufweisend die folgenden Schritte: (a) Vorbereiten von mehreren Einzelzellen und einem Spannelement, das ausgestaltet ist, um die mehreren Einzelzellen festzuziehen; und (b) Stapeln der mehreren Einzelzellen und Festziehen der mehreren Einzelzellen entlang einer Stapelrichtung der mehreren Einzelzellen durch das Spannelement. Jede der Einzelzellen umfasst: eine MEGA-Platte (MEGA = Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung) mit einer MEGA und einem Rahmenelement, das um die MEGA geklebt ist, und zwei Separatoren zum Halten der MEGA zwischen sich. Zumindest ein Separator von den zwei Separatoren besteht aus einer pressgeformten Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen, wobei von Abschnitten der Vorsprünge und Vertiefungen ein Abschnitt, der in Richtung zur MEGA-Platte geht, als vertiefter Abschnitt bestimmt ist, und ein Abschnitt, der in Richtung von der MEGA-Platte weg geht, als vorstehender Abschnitt bestimmt ist. Der eine Separator hat einen ersten vertieften Abschnitt, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt, der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist, so dass er nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht. Der Schritt (b) umfasst: Aufbringen einer Anzug- bzw. Spannkraft auf die mehreren Einzelzellen durch das Spannelement, um den zweiten vertieften Abschnitt des einen Separators mit dem Rahmenelement in Kontakt zu bringen.
Da bei dem Verfahren dieses Aspekts der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, bevor die Spannkraft aufgebracht wird, wird die in dem ersten vertieften Abschnitt nach dem Aufbringen der Spannkraft erzeugte Belastung unterdrückt bzw. gedämpft, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der erste vertiefte Abschnitt vom Rahmenelement abgelöst wird.
(5) Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der eine Separator derart ausgestaltet sein, dass der erste vorstehende Abschnitt an einer Stelle innerhalb des ersten vertieften Abschnitts ausgebildet ist, während der zweite vertiefte Abschnitt innerhalb des ersten vorstehende Abschnitts ausgebildet ist.
Da bei dem Verfahren dieses Aspekts der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, wird die in dem ersten vertieften Abschnitt durch die Spannkraft, die auf den ersten vorstehenden Abschnitt aufgebracht wird, erzeugte Belastung beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand unterdrückt bzw. gedämpft, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass der erste vertiefte Abschnitt vom Rahmenelement abgelöst wird.
(6) Bei dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der andere Separator der zwei Separatoren, an Stellen, die dem ersten vertieften Abschnitt, dem ersten vorstehenden Abschnitt und dem zweiten vertieften Abschnitt des einen Separators jeweils gegenüberliegen, einen ersten vertieften Abschnitt haben, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt, der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist. Die Einzelzellen können derart ausgestaltet sein, dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen, und dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen.
Da bei dem Verfahren dieses Aspekts die zweiten vertieften Abschnitte der beiden Separatoren im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen, wird die in den ersten vertieften Abschnitten durch die Spannkraft, die auf die ersten vorstehenden Abschnitte aufgebracht wird, erzeugte Belastung beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand unterdrückt bzw. gedämpft, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die ersten vertieften Abschnitte vom Rahmenelement abgelöst werden.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf verschiedene andere Art und Weise als den vorstehend beschriebenen Aspekten realisiert werden. Beispielsweise kann die Erfindung in Form von Brennstoffzellensystemen und Herstellungsverfahren für Brennstoffzellensysteme realisiert werden.
Figurenliste

1 zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels sowie eine Explosionsansicht einer Einzelzelle gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine Draufsicht auf die Einzelzelle;
3 zeigt eine Teilschnittansicht von Einzelzellen in einem nicht festgezogenen Zustand;
4 zeigt eine Teilschnittansicht von Einzelzellen in einem festgezogenen Zustand;
5 zeigt eine Ansicht, die einen Aspekt veranschaulicht, bei dem auf die Einzelzellen bei einem Vergleichsbeispiel eine Spannkraft aufgebracht wird;
6 zeigt einen Graph, der Veränderungen der entwickelten Belastung in Reaktion auf das Niveau der aufgebrachten Spannkraft zeigt;
7 zeigt eine Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels im nicht festgezogenen Zustand;
8 zeigt eine Teilschnittansicht von Einzelzellen in einem nicht festgezogenen Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
9 zeigt eine Teilschnittansicht von Einzelzellen in einem festgezogenen Zustand gemäß der zweiten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 umfasst eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels 100, in dem eine Mehrzahl von Einzelzellen 140 gestapelt ist, sowie eine Explosionsansicht einer Einzelzelle 140 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 entspricht die horizontale Richtung einer X-Richtung, die vertikale Richtung entspricht einer Y-Richtung und die Stapelrichtung der Einzelzellen 140 entspricht einer Z-Richtung, die senkrecht zur X- und Y-Richtung ist. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist eine sogenannte Festpolymerbrennstoffzelle, die zusammen mit einem Reaktionsgaszufuhrsystem (Oxidationsgas- und Brenngaszufuhrsystem), einem Kühlmittelzufuhrsystem und dergleichen ein Brennstoffzellensystem bildet. Ein derartiges Brennstoffzellensystem wird beispielsweise an einem Fahrzeug oder dergleichen montiert und dient als System zum Bereitstellen einer für den Antrieb genutzten Stromquelle.
Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst zwei Endplatten 110, zwei Isolierplatten 120, mehrere Einzelzellen 140 sowie mehrere Schrauben 131 und Muttern 132, die als Spannelemente dienen. Eine Endplatte 110, eine Isolierplatte 120, mehrere Einzelzellen 140, die andere Isolierplatte 120 und die andere Endplatte 110 sind in dieser Reihenfolge gestapelt. Die Schrauben 131 verlaufen durch die Endplatten 110 und die Isolierplatten 120, die an beiden Enden angeordnet sind, und die Muttern 132 werden an den verbleibenden Abschnitten der Schrauben 131 angebracht. Der Brennstoffzellenstapel 100 kann in einen festgezogenen Zustand gebracht werden, bei dem eine Anzug- bzw. Spannkraft auf die Mehrzahl von Einzelzellen 140 durch das Anziehen der Muttern 132 aufgebracht wird, und einen nicht festgezogenen Zustand, bei welchem durch das Lösen der Muttern 132 keine Spannkraft aufgebracht wird. Der in 1 gezeigte Brennstoffzellenstapel 100 befindet sich im festgezogenen Zustand, in welchem ein Abstand zwischen den beiden Endplatten 110 gleich L1 ist.
Jede Einzelzelle 140 umfasst eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung-Platte (nachfolgend auch als „MEGA-Platte“ bezeichnet) 30 mit einer MEGA 32 und einem Rahmenelement 31, das um die MEGA 32 geklebt ist, sowie zwei Separatoren 40, 50 zum Halten der MEGA-Platte 30 zwischen diesen. In 1 ist der Separator 40 ein kathodenseitiger Separator und der Separator 50 ist ein anodenseitiger Separator.
2 zeigt eine schematische Draufsicht einer Einzelzelle 140 bei Betrachtung von deren anodenseitiger Separatorseite. In einem Umfangsabschnitt des anodenseitigen Separators 50 an dessen Ende in Längsrichtung sind eine Brenngaseinlasssammelrohröffnung 62, eine Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 64 sowie eine Oxidationsgaseinlasssammelrohröffnung 72 in dieser Reihenfolge von oben nach unten ausgebildet. Im anderen Umfangsabschnitt am gegenüberliegenden Ende sind eine Oxidationsgasauslasssammelrohröffnung 74, eine Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82 und eine Brenngasauslasssammelrohröffnung 64 in dieser Reihenfolge von oben nach unten ausgebildet. Mehrere streifenartige Kühlmittelströmungspfadnuten 54 sind in einem Mittelteil des anodenseitigen Separators 50 ausgebildet.
Von dem durch die Brenngaseinlasssammelrohröffnung 62 zugeführten Brenngas wird ungenutztes Brenngas durch die Brenngasauslasssammelrohröffnung 64 gesammelt und aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen (siehe 1). Zudem wird von dem durch die Oxidationsgaseinlasssammelrohröffnung 72 zugeführten Oxidationsgas ungenutztes Oxidationsgas durch die Oxidationsgasauslasssammelrohröffnung 74 gesammelt und aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen. Das durch die Kühlmitteleinlasssammelrohröffnung 82 zugeführte Kühlmittel strömt entlang der Kühlmittelströmungspfadnuten 54, wird an der Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84 gesammelt und anschließend aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgetragen.
Bei dieser Ausführungsform besteht jeder Separator 40, 50 aus einer pressgeformten Platte mit Vertiefungen und Vorsprüngen, wobei eine pressgeformte Platte, die durch Umformen eines Metallelements, z. B. aus Edelstall oder Titan, hergestellt wird, verwendet wird. Es sei angemerkt, dass ein Separator der beiden Separatoren 40, 50 anders als eine pressgeformte Platte sein kann. Von den Abschnitten der Vertiefungen und Vorsprüngen des Separators 40, 50, werden Abschnitte, die in Richtung zur MEGA-Platte 30 gehen, als vertiefte Abschnitte bezeichnet, und Abschnitte, die in Richtung von der MEGA-Platte 30 weg gehen, werden als vorstehende Abschnitte bezeichnet. Bezugnehmend auf 2 ist ein erster vertiefter Abschnitt 21 derart ausgebildet, dass er die jeweilige Gassammelrohröffnungen 62, 64, 72 und 74, die Kühlmittelsammelrohröffnungen 82, 84 und die Kühlmittelströmungspfadnuten 54 umgibt. Zudem sind Dichtungen GK1 bis GK5 im ersten vertieften Abschnitt 21 angeordnet. Wenn mehrere Einzelzellen 140 zusammengestapelt werden, gelangen die Dichtungen GK1 bis GK5 mit Flächen benachbarter zweier Einzelzellen 140 in Kontakt, wodurch sie als Versiegelung zwischen den beiden Einzelzellen 140 fungieren.
3 zeigt eine III-III Schnittansicht der Einzelzellen 140 aus 2. Zur Erleichterung der Darstellungen werden zwei Einzelzellen gezeigt. In 3 befinden sich die Einzelzellen 140 im nicht festgezogenen Zustand, bei dem keine Spannkraft aufgebracht wird. Im anodenseitigen Separator 50 sind der erste vertiefte Abschnitt 21, ein erster vorstehender Abschnitt 22 und ein zweiter vertiefter Abschnitt 23 in dieser Reihenfolge entlang der X-Richtung ausgebildet. Der erste vertiefte Abschnitt 21 ist durch eine Klebeschicht 90 an das Rahmenelement 31 geklebt. Der erste vorstehende Abschnitt 22 ist durchgängig bzw. fortlaufend oder zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt 21. Der zweite vertiefte Abschnitt 23 ist an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts 22 ausgebildet, die dem ersten vertieften Abschnitt 21 gegenüber liegt. In diesem Beispiel ist der erste vorstehende Abschnitt 22 innerhalb des bzw. einwärts vom ersten vertieften Abschnitt(s) 21 (d. h. auf Seiten der Kühlmittelauslasssammelrohröffnung 84) ausgebildet, und der zweite vertiefte Abschnitt 23 ist innerhalb des bzw. einwärts vom ersten vorstehenden Abschnitt(s) 22 ausgebildet. Im kathodenseitigen Separator 40 sind ein erster vertiefter Abschnitt 11, ein erster vorstehender Abschnitt 12 und ein zweiter vertiefter Abschnitt 13 jeweils den Vorsprüngen und Vertiefungen des anodenseitigen Separators 50 gegenüberliegend ausgebildet. Der erste vertiefte Abschnitt 11 des kathodenseitigen Separators 40 ist in ähnlicher Weise durch eine Klebeschicht 90 an das Rahmenelement 31 geklebt. Zudem haben die vertieften Abschnitte 11, 21 die ersten vorstehenden Abschnitte 12, 22 und die zweiten Abschnitt 13, 23 jeweils die gleiche Form und Gestalt.
Im nicht festgezogenen Zustand von 3 stehen der zweite vertiefte Abschnitt 23 des anodenseitigen Separators 50 und der zweite vertiefte Abschnitt 13 des kathodenseitigen Separators 40 nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt. Zwischen dem zweiten vertieften Abschnitt 23 des anodenseitigen Separators 50 und dem Rahmenelement 31 ist ein Spalt G1, der nicht Null ist. Analog ist zwischen dem zweiten vertieften Abschnitt 13 des kathodenseitigen Separators 40 und dem Rahmenteil 31 ein Spalt G2, der nicht Null ist. Zwischen der Dichtung GK5 und dem kathodenseitigen Separator 40 einer benachbarten Einzelzelle 140 gibt es einen Spalt P.
4 zeigt eine Ansicht, die einen festgezogenen Zustand zeigt, bei dem eine Spannkraft auf die Einzelzellen 140 von 3 aufgebracht wird. Im festgezogenen Zustand von 4 werden der erste vorstehende Abschnitt 22 des anodenseitigen Separators 50 und der erste vorstehende Abschnitt 12 des kathodenseitigen Separators 40 in Richtung zum Rahmenelement 31 gedrückt, während auch die Dichtung GK5 zusammengedrückt wird. Der zweite vertiefte Abschnitt 23 des anodenseitigen Separators 50 und der zweite vertiefte Abschnitt 13 des kathodenseitigen Separators 40 stehen mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt.
5 zeigt eine Darstellung, die einen Aspekt zeigt, bei dem eine Spannkraft auf eine Einzelzelle 400 bei einem Vergleichsbeispiel aufgebracht wird. Bezüglich der Einzelzelle 400 des Vergleichsbeispiels stehen die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 im nicht festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt. Beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand wird eine Spannkraft in Z-Richtung auf den ersten vorstehenden Abschnitt 22 im anodenseitigen Separator 50 aufgebracht, was zur Entstehung einer Belastung in eine Richtung entgegengesetzt zur Z-Richtung im ersten vertieften Abschnitt 21 führt, während ein Verbindungspunkt Fu des ersten vorstehenden Abschnitts 22 und des ersten vertieften Abschnitts 21 als Drehpunkt dient. Als Ergebnis kann der erste vertiefte Abschnitt 21 vom Rahmenelement 31 abgelöst werden.
Bezüglich der Einzelzelle 140 dieser Ausführungsform dagegen wird, da der zweite vertiefte Abschnitt 23 den Spalt G1 vom Rahmenelement 31 im nicht festgezogenen Zustand aus 3 ausweist, die Spannkraft, die auf den ersten vorstehenden Abschnitt 22 aufgebracht wird, durch den Spalt G1 abgeschwächt bzw. entspannt, wenn die Kraft aufgebracht wird. Als Ergebnis nimmt im Vergleich zu dem Fall, bei dem kein Spalt G1 im nicht festgezogenen Zustand existiert, die im ersten vertieften Abschnitt 21 erzeugte Belastung ab, sodass das Ablösen des ersten vertieften Abschnitts 21 vom Rahmenelement 31 verhindert werden kann. Dies ist auch der Fall beim ersten vorstehenden Abschnitt 12, den ersten vertieften Abschnitt 11 und dem zweiten vertieften Abschnitt 13 des kathodenseitigen Separators 40.
6 zeigt einen Graph, der Änderungen der im ersten vertieften Abschnitten 11, 21 erzeugten Belastung in Reaktion auf das Niveau der Spannkraft, die auf die ersten vorstehenden Abschnitte 12, 22 der Separatoren 40, 50 aufgebracht wird, darstellt. Ein Graph „MIT KONTAKT“ bezieht sich auf einen Fall, bei welchem die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 der Separatoren 40, 50 mit dem Rahmenelement 31 im nicht festgezogenen Zustand in Kontakt stehen. Ein anderer Graph „OHNE KONTAKT“ bezeichnet einen Fall, bei welchem die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt stehen. Wie anhand von 6 ersichtlich ist, nimmt im nicht festgezogenen Zustand die in den ersten vertieften Abschnitten 11, 21 erzeugte Belastung allmählich mit einer Zunahme des Niveaus der aufgebrachten Spannkraft zu. Im Kontaktfall wird dabei eine größere Belastung in den ersten vertieften Abschnitten 11, 21 erzeugt als im Nichtkontaktfall, und die Belastung nimmt abrupt mit Zunahme des Niveaus der aufgebrachten Spannkraft zu. Als Ergebnis werden die ersten vertieften Abschnitte 11, 21 im Nichtkontaktfall weniger wahrscheinlich vom Rahmenelement 31 gelöst als im Kontaktfall.
7 zeigt eine Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels 100 im nicht festgezogenen Zustand. Wie beim Brennstoffzellenstapel 100 im nicht festgezogenen Zustand sind die Muttern 132 gelockert, sodass keine Spannkraft auf die Mehrzahl von Einzelzellen 140 aufgebracht wird. Ein Abstand zwischen beiden Endplatten 110 ist in diesem Fall ist L2. In diesem Zustand erfüllt der Brennstoffzellenstapel 100 vorzugsweise den folgenden Ausdruck (1): $N \times G \leq Δ L$
$G=G1+G2, Δ L=L2-L1$
Wobei gilt:

N ist die Anzahl der Einzelzellen,
G ist der Gesamtabstand zwischen den zweiten vertieften Abschnitten 13, 23 und dem Rahmenelement 31 im nicht festgezogenen Zustand,
ΔL ist eine komprimierte Länge des Brennstoffzellenstapel,
G1 ist ein Spalt zwischen dem zweiten vertieften Abschnitt 23 und dem Rahmenelement 31 im nicht festgezogenen Zustand (3),
G2 ist ein Spalt zwischen dem zweiten vertieften Abschnitt 13 und dem Rahmenelement 31 im nicht festgezogenen Zustand (3),
L1 ist ein Abstand zwischen den beiden Endplatten 110 des Brennstoffzellenstapels 100 im festgezogenen Zustand (1),
L2 ist ein Abstand zwischen den beiden Endplatten 110 des Brennstoffzellenstapels 100 im nicht festgezogenen Zustand.

Der Ausdruck (1) bezeichnet hierbei, dass die komprimierte Länge ΔL des Brennstoffzellenstapels 100 beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand gleich oder größer als eine Gesamtsumme (N × G) der Abstände zwischen den jeweiligen zweiten vertieften Abschnitten 13, 23 und dem Rahmenelement 31 in allen der Mehrzahl von Einzelzellen 140 ist. Das bedeutet, das Überprüfen, ob Ausdruck (1) erfüllt ist oder nicht, ermöglicht es zu entscheiden, ob eine Konfiguration, bei der die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 nach dem Übergang der Einzelzellen 140 vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenem Zustand mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt stehen erfüllt ist oder nicht.
Wie vorstehend beschrieben ist, stehen bei der ersten Ausführungsform bezüglich der Separatoren 40, 50 der Einzelzelle 140 die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt. Daher wird die in den ersten vertieften Abschnitten 11, 21 durch die Spannkraft beim Übergang vom nicht befestigten Zustand in den festgezogenen Zustand erzeugte Belastung verringert, sodass verhindert werden kann, dass sich die ersten vertieften Abschnitte 11, 21 vom Rahmenelement 31 lösen.
Zweite Ausführungsform
8 ist eine Teilschnittdarstellung von Einzelzellen 140a in einem nicht festgezogenen Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Ansicht 3 entspricht. Bezugnehmend auf 8 umfasst ein anodenseitiger Separator 50a einen ersten vertieften Abschnitt 21a, einen ersten vorstehenden Abschnitt 22a, der zusammenhängend mit den ersten vertieften Abschnitt 21a ausgebildet ist, sowie einen zweiten vertieften Abschnitt 23a, der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts 22a, dem ersten vertieften Abschnitt 21a gegenüberliegend, ausgebildet ist. Der erste vertiefte Abschnitt 21a ist durch eine Klebeschicht 90 an das Rahmenelement 31 geklebt. Der Spalt zwischen dem zweiten vertieften Abschnitt 23a und dem Rahmenelement 31 ist G1.
In einem kathodenseitigen Separator 40a sind ein vertiefter Abschnitt 15, ein vorstehender Abschnitt 16 und eine vertiefter Abschnitt 17 an Positionen ausgebildet, die den jeweiligen Vertiefungen und Vorsprüngen 21a, 22a und 23a des anodenseitigen Separators 50a gegenüberliegen. Der vertiefte Abschnitt 15 ist durch die Klebeschicht 90 an das Rahmenelement 31 geklebt. Es gibt keinen Spalt zwischen dem vertieften Abschnitt 17 und dem Rahmenelement 31, die miteinander in Kontakt stehen.
9 ist eine Darstellung, die einen festgezogenen Zustand zeigt, bei dem eine Spannkraft auf die Einzelzellen 140a aus 8 ausgebracht wird, wobei die Ansicht 4 entspricht. Im festgezogenen Zustand von 9 steht der zweite vertiefte Abschnitt 23a des anodenseitigen Separators 50a mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt. Da bei der zweiten Ausführungsform der zweite vertiefte Abschnitt 23a im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt steht, wird die im ersten vertieften Abschnitt 21a durch die Spannkraft beim Übergang vom nicht festgezogenen Zustand in den festgezogenen Zustand erzeugte Belastung verringert, sodass verhindert werden kann, dass sich der erste vertiefte Abschnitt 21a vom Rahmenelement 31 löst.
Zudem wird Ausdruck (1) auch durch den Brennstoffzellenstapel erfüllt, der gemäß der zweiten Ausführungsform durch die zusammengestapelten Einzelzellen 140a gebildet wird. In diesem Fall ist G gleich G1 (8) im Ausdruck (1). Der Aufbau des ersten vertieften Abschnitts 21a, des ersten vorstehenden Abschnitts 22a und des zweiten vertieften Abschnitts 23a in den 8 und 9 kann auch beim kathodenseitigen Separator 40a anstelle des anodenseitigen Separators 50a erfolgen.
Der vorstehend beschriebene Brennstoffzellenstapel 100 kann auf folgende Art und Weise hergestellt werden. Zunächst werden Einzelzellen 140 vorbereitet, in welchen die zweiten vertieften Abschnitt 13, 23 der Separatoren 40, 50 nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt stehen, wie in 3 gezeigt ist, sowie die Schrauben 131 und Muttern 132 (1), die als Spannelemente dienen, gefolgt von einem Stapeln von mehreren Einzelzellen 140, wie in 3 gezeigt. Anschließend wird, wie in 4 gezeigt, eine Spannkraft auf die mehreren Einzelzellen 140 aufgebracht, wodurch die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt gebracht werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, stehen die zweiten vertieften Abschnitte 13, 23 der Separatoren 40, 50 nicht mit dem Rahmenelement 31 in Kontakt, bevor die Spannkraft aufgebracht wird. Daher wird die in den ersten vertieften Abschnitten 11, 21 nach dem Aufbringen der Spannkraft erzeugte Belastung verringert, sodass verhindert werden kann, dass die ersten vertieften Abschnitte 11, 21 vom Rahmenelement 31 abgelöst werden.
Abwandlungen:
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Beispiele und Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die Erfindung wie folgt modifiziert werden.
Abwandlung 1:
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden die vertieften Abschnitte 21, 21a, in welche die Dichtung GK5 eingesetzt ist, als erste vertiefte Abschnitt verwendet. Stattdessen können andere vertiefte Abschnitte, die an das Rahmenelement 31 geklebt sind, als die ersten vertieften Abschnitte verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen beschränkt sondern kann auf vielerlei Art und Weise in einem Umfang ausgestaltet werden, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsformen und Abwandlungen, welche den technischen Merkmalen eines jeden der in der KURZFASSUNG beschriebenen Aspekts entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen. Ferner sind alle Bestandteile bis auf die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Bestandteile der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen zusätzliche Elemente, die nach Bedarf weggelassen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017077225 [0001]
JP 2016173909 A [0003]

Claims

Brennstoffzellenstapel (100), aufweisend: mehrere Einzelzellen (140, 140a), die zusammengestapelt sind; und ein Spannelement (131, 132), das ausgestaltet ist, um die mehreren Einzelzellen entlang einer Stapelrichtung der mehreren Einzelzellen zu festzuziehen, wobei jede der Einzelzellen umfasst: eine MEGA-Platte (MEGA = Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung) (30) mit einer MEGA (32) und einem Rahmenelement (31), das um die MEGA geklebt ist; und zwei Separatoren (40, 40a, 50, 50a) zum Halten der MEGA zwischen sich, zumindest ein Separator (50, 50a) von den zwei Separatoren aus einer pressgeformten Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen besteht, von Abschnitten der Vorsprünge und Vertiefungen ein Abschnitt, der in Richtung zur MEGA-Platte geht, als vertiefter Abschnitt bestimmt ist, und ein Abschnitt, der in Richtung von der MEGA-Platte weg geht, als vorstehender Abschnitt bestimmt ist, der eine Separator (50, 50a) einen ersten vertieften Abschnitt (21, 21a) hat, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt (22, 22a), der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt (23, 23a), der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist, der Brennstoffzellenstapel in einen festgezogenen Zustand gebracht werden kann, bei welchem durch das Spannelement eine Spannkraft auf die mehreren Einzelzellen aufgebracht wird, sowie in einen nicht festgezogenen Zustand, bei dem keine Spannkraft aufgebracht wird, und die Einzelzellen derart ausgestaltet sind, dass der zweite vertiefte Abschnitt (23, 23a) im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement (31) in Kontakt steht, und dass der zweite vertiefte Abschnitt im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1, wobei der eine Separator (50, 50a) derart ausgestaltet ist, dass der erste vorstehende Abschnitt (22, 22a) an einer Stelle innerhalb des ersten vertieften Abschnitts (21, 21a) ausgebildet ist, während der zweite vertiefte Abschnitt (23, 23a) innerhalb des ersten vorstehenden Abschnitts (22, 22a) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der andere Separator (40) der zwei Separatoren, an Stellen, die dem ersten vertieften Abschnitt (21), dem ersten vorstehenden Abschnitt (22) und dem zweiten vertieften Abschnitt (23) des einen Separators (50) jeweils gegenüberliegen, einen ersten vertieften Abschnitt (11) hat, der an das Rahmenelement (31) geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt (12), der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt (11) ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt (13), der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts (12), dem ersten vertieften Abschnitt (11) gegenüberliegend, ausgebildet ist, und die Einzelzellen derart ausgestaltet sind, dass der zweite vertiefte Abschnitt (23) des einen Separators (50) und der zweite vertiefte Abschnitt (13) des anderen Separators (40) im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement (31) in Kontakt stehen, und dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen.
Herstellungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (100), aufweisend die folgenden Schritte: (a) Vorbereiten von mehreren Einzelzellen (140, 140a) und einem Spannelement (131, 132), das ausgestaltet ist, um die mehreren Einzelzellen festzuziehen; und (b) Stapeln der mehreren Einzelzellen und Festziehen der mehreren Einzelzellen entlang einer Stapelrichtung der mehreren Einzelzellen durch das Spannelement, wobei jede der Einzelzellen umfasst: eine MEGA-Platte (MEGA = Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung) (30) mit einer MEGA (32) und einem Rahmenelement (31), das um die MEGA geklebt ist; und zwei Separatoren (40, 40a, 50, 50a) zum Halten der MEGA zwischen sich, zumindest ein Separator (50, 50a) von den zwei Separatoren aus einer pressgeformten Platte mit Vorsprüngen und Vertiefungen besteht, von Abschnitten der Vorsprünge und Vertiefungen ein Abschnitt, der in Richtung zur MEGA-Platte geht, als vertiefter Abschnitt bestimmt ist, und ein Abschnitt, der in Richtung von der MEGA-Platte weg geht, als vorstehender Abschnitt bestimmt ist, der eine Separator einen ersten vertieften Abschnitt (21, 21a) hat, der an das Rahmenelement geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt (22, 22a), der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt (23, 23a), der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts, dem ersten vertieften Abschnitt gegenüberliegend, ausgebildet ist, so dass er nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt steht, und der Schritt (b) umfasst: Aufbringen einer Spannkraft auf die mehreren Einzelzellen durch das Spannelement, um den zweiten vertieften Abschnitt (23, 23a) des einen Separators mit dem Rahmenelement (31) in Kontakt zu bringen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei der eine Separator (50, 50a) derart ausgestaltet ist, dass der erste vorstehende Abschnitt (22, 22a) an einer Stelle innerhalb des ersten vertieften Abschnitts (21, 21a) ausgebildet ist, während der zweite vertiefte Abschnitt (23, 23a) innerhalb des ersten vorstehende Abschnitts (22, 22a) ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der andere Separator (40) der zwei Separatoren, an Stellen, die dem ersten vertieften Abschnitt (21), dem ersten vorstehenden Abschnitt (22) und dem zweiten vertieften Abschnitt (23) des einen Separators (50) jeweils gegenüberliegen, einen ersten vertieften Abschnitt (11) hat, der an das Rahmenelement (31) geklebt ist, einen ersten vorstehenden Abschnitt (12), der zusammenhängend mit dem ersten vertieften Abschnitt (11) ausgebildet ist, und einen zweiten vertieften Abschnitt (13), der an einer Seite des ersten vorstehenden Abschnitts (12), dem ersten vertieften Abschnitt (11) gegenüberliegend, ausgebildet ist, und die Einzelzellen derart ausgestaltet sind, dass der zweite vertiefte Abschnitt (23) des einen Separators (50) und der zweite vertiefte Abschnitt (13) des anderen Separators (40) im festgezogenen Zustand mit dem Rahmenelement (31) in Kontakt stehen, und dass der zweite vertiefte Abschnitt des einen Separators und der zweite vertiefte Abschnitt des anderen Separators im nicht festgezogenen Zustand nicht mit dem Rahmenelement in Kontakt stehen.