-
Hintergrund
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Endplatte, die in der Zellstapelrichtung eines Zellstapelkörpers eines Brennstoffzellenstapels an einem Ende vorgesehen wird. Die Endplatte hat Zirkulationslöcher, um Fluid zu und aus Durchlässen des Zellstapelkörpers zirkulieren zu lassen.
-
Eine Brennstoffzelle hat einen Brennstoffzellenstapel (siehe zum Beispiel
JP 2016 - 134 335 A und
JP 2016 - 096 032 A ). Der Brennstoffzellenstapel weist einen Zellstapelkörper, der von plattenförmigen Einzelzellen gebildet wird, die in der Dickenrichtung aufgestapelt sind, ein Paar Endplatten, die den Zellstapelkörper dazwischen in der Zellstapelrichtung halten, und Verbindungsrohre auf, die mit den Endplatten verbunden sind.
-
Herkömmliche Endplatten wie die, die in der
JP 2016 - 134 335 A und
JP 2016 - 096 032 A offenbart sind, weisen Zirkulationslöcher auf, um Anodengas, Kathodengas und ein Kühlmittel (nachstehend gemeinsam als Fluid bezeichnet) zu und aus den Durchlässen zirkulieren zu lassen, die in dem Zellstapelkörper ausgebildet sind. Die Endplatte weist einen metallischen Plattenkörper, der Durchgangslöcher hat, die die Zirkulationslöcher bilden, und Innenumfangsbedeckungsabschnitte auf, die die Innenumfangsflächen der Durchgangslöcher bedecken. Der Plattenkörper besteht aus zum Beispiel Aluminium. Die Innenumfangsbedeckungsabschnitte bestehen aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff wie Polypropylen. Die Innenumfangsbedeckungsabschnitte werden einstückig mit dem Plattenkörper ausgebildet, indem in eine Form bei in der Form eingefügtem Plattenkörper geschmolzener Kunststoff eingespritzt wird.
-
Die
JP 2016 - 134 335 A offenbart, dass es vorzuziehen ist, die Querschnittsform der Durchlässe des Zellstapelkörpers auf ein Rechteck einzustellen, um die Strömungsquerschnittsfläche zu erhöhen, wodurch der Druckverlust des Fluids reduziert wird. Die Veröffentlichung offenbart auch, dass es vorzuziehen ist, die Querschnittsform der mit der Endplatte verbundenen Verbindungsrohre auf einen Kreis einzustellen, um den Druckverlust des durch die Verbindungsrohre strömenden Fluids zu reduzieren. Es wird auf Absatz [0025] der Veröffentlichung verwiesen. Darüber hinaus offenbart die Veröffentlichung, dass es vorzuziehen ist, die Querschnittsform des Teilabschnitts jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts, der dem Durchlass des Zellstapelkörpers gegenüberliegt, auf ein Rechteck einzustellen, die Querschnittsform des Teilabschnitts jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts, der dem Verbindungsrohr gegenüberliegt, auf im Wesentlichen einen perfekten Kreis einzustellen und die Querschnittsform des Zwischenteilabschnitts jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts allmählich von einem Rechteck zu einem im Wesentlichen perfekten Kreis zu ändern.
-
Der Plattenkörper der in der
JP 2016 - 096 032 A offenbarten Endplatte weist einen Hauptabschnitt, der Durchgangslöcher hat, und einen Flanschabschnitt auf, der vom Außenumfang des Hauptabschnitts wegsteht. Der Flanschabschnitt hat eine Fixierfläche, an der der Flansch des Gehäuses, das den Zellstapelkörper beherbergt, fixiert wird (siehe
7,
8 und
10 der Veröffentlichung). In der Endplatte der Veröffentlichung ist zudem die Außenumfangsfläche des Hauptabschnitts von einem Außenumfangsbedeckungsabschnitt bedeckt, der mit den Innenumfangsbedeckungsabschnitten als eine Einheit ausgebildet ist, während die Außenumfangsfläche des Flanschabschnitts nicht mit Kunststoff bedeckt ist und freiliegt.
-
Bei der in der
JP 2016 - 096 032 A offenbarten Endplatte kann sich die Querschnittsform jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts wie bei der in der
JP 2016 - 134 335 A offenbarten Endplatte allmählich von einem Rechteck zu einem im Wesentlichen perfekten Kreis ändern. Diese Gestaltung würde jedoch unvorteilhafter Weise die Gestalt der Durchgangslöcher und der Form verkomplizieren und die Strömungsquerschnittsfläche begrenzen, da der Teilabschnitt jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts, der dem Verbindungsrohr gegenüberliegt, die Gestalt eines im Wesentlichen perfekten Kreises hat, was zu einem erhöhten Druckverlust führt.
-
Wenn dagegen die Querschnittsform des Teilabschnitts jedes Innenumfangsbedeckungsabschnitts, der dem Verbindungsrohr gegenüberliegt, rechteckig ausgeführt wird, wird auch die Gestalt der Umfangskante des entsprechenden Durchgangslochs an dem Ende (nachstehend als äußeres Ende bezeichnet), das dem Verbindungsrohr zugewandt ist, rechteckig sein. In diesem Fall konzentriert sich die Spannung aufgrund des Kunststoffspritzformdrucks beim Umspritzen tendenziell an den Eckenabschnitten der Umfangskante des äußeren Endes des Durchgangslochs, was die Umfangskante des äußeren Endes des Durchgangslochs verformen kann. Um die Verformung des Plattenkörpers zu verhindern, sind somit zusätzliche Maßnahmen erforderlich, etwa eine erhöhte Dicke des Plattenkörpers.
-
Kurzdarstellung
-
Es ist eine Zielsetzung der Erfindung, eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen, die zuverlässig Innenumfangsbedeckungsabschnitte ausbildet, während am äußeren Ende die Strömungsquerschnittsfläche jedes Zirkulationslochs sichergestellt wird.
-
Um die obige Zielsetzung zu erreichen, wird eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt. Die Endplatte ist so gestaltet, dass sie sich in einer Stapelrichtung eines Zellstapelkörpers des Brennstoffzellenstapels an einem Ende anordnen lässt. Die Endplatte hat eine Vielzahl von Zirkulationslöchern, um Fluid zu und aus einer Vielzahl von Durchlässen des Zellstapelkörpers zirkulieren zu lassen. Die Endplatte weist einen metallischen Plattenkörper und eine Vielzahl von Innenumfangsbedeckungsabschnitten auf. Der metallische Plattenkörper hat eine Vielzahl von Durchgangslöchern, die jeweils die Zirkulationslöcher bilden. Die Innenumfangsbedeckungsabschnitte bestehen aus einem Kunststoff. Jeder Innenumfangsbedeckungsabschnitt bedeckt eine Innenumfangsfläche von einem der Durchgangslöcher. Eine Seite in einer Dickenrichtung des Plattenkörpers näher am Zellstapelkörper ist eine innere Seite. Eine Seite fern vom Zellstapelkörper in der Dickenrichtung ist eine äußere Seite. Ein Teil einer Außenumfangsfläche des Plattenkörpers, der inneren Enden der Innenumfangsbedeckungsabschnitte in der Dickenrichtung entspricht, ist von einem Außenumfangsbedeckungsabschnitt bedeckt, der mit den Innenumfangsbedeckungsabschnitten als eine Einheit ausgebildet ist. Ein Teil der Außenumfangsfläche des Plattenkörpers, der äußeren Enden der Innenumfangsbedeckungsabschnitte in der Dickenrichtung entspricht, liegt frei. Eine Umfangskante eines äußeren Endes jedes Durchgangslochs wird von vier linearen Abschnitten und vier bogenförmigen Abschnitten, die Enden der linearen Abschnitte miteinander verbinden, gebildet. Ein Krümmungsradius von jedem der bogenförmigen Abschnitte liegt in einem Bereich zwischen einschließlich 8 mm und 15 mm.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht einer Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel, die die Endplatte, einen Zellstapelkörper, ein Gehäuse und eine andere Endplatte getrennt voneinander zeigt.
- 2 ist eine Seitenansicht, die den Brennstoffzellenstapel dieses Ausführungsbeispiels zeigt.
- 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil von 2 darstellt.
- 4 ist eine Schnittansicht, die einen Teil des Plattenkörpers zeigt, der die Endplatte dieses Ausführungsbeispiels bildet.
- 5 ist eine Vorderansicht, die von der äußeren Seite aus gesehen hauptsächlich ein Durchgangsloch des Plattenkörpers dieses Ausführungsbeispiels zeigt.
-
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
-
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, weist ein Brennstoffzellenstapel 10 einen Zellstapelkörper 12, ein Gehäuse 18 zur Unterbringung des Zellstapelkörpers 12 und ein Paar Endplatten 14, 20 auf, die den Zellstapelkörper 12 in der Zellstapelrichtung von den entgegengesetzten Seiten aus halten. Der Zellstapelkörper 12 wird von plattenförmigen Einzelzellen gebildet, die in der Dickenrichtung aufgestapelt sind. In der folgenden Beschreibung wird die Zellstapelrichtung des Zellstapelkörpers 12 einfach als die Stapelrichtung bezeichnet.
-
[Zellstapelkörper 12]
-
Wie in 1 gezeigt ist, hat der Zellstapelkörper 12 drei Durchlässe 12a bis 12c, die jeder Einzelzelle jeweils Anodengas (zum Beispiel Wasserstoffgas), Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoffgas in der Luft) und ein Kühlmittel (zum Beispiel Kühlwasser) zuführen. Der Zellstapelkörper 12 hat drei weitere Durchlässe 12d bis 12f, die das Anodengas, das Kathodengas und das Kühlmittel, die dazu verwendet worden sind, in jeder Einzelzelle Strom zu erzeugen, jeweils abführen. 1 stellt einen Zustand dar, in dem ein Teil des Zellstapelkörpers 12 aus dem Gehäuse 18 nach außen ragt.
-
[Gehäuse 18]
-
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, hat das Gehäuse 18 eine Umfangswand 18c, die den Außenumfang des Zellstapelkörpers 12 umgibt. Beide Enden in der Stapelrichtung des Gehäuses 18 sind offen. Auf den Umfangskanten dieser Öffnungen sind jeweils Flansche 18a und 18b ausgebildet.
-
[Endplatten 14, 20]
-
Wie in 1 gezeigt ist, hat die Endplatte 20 Zirkulationslöcher 22a bis 22f, die jeweils Anodengas, Kathodengas und ein Kühlmittel (nachstehend gemeinsam als Fluid bezeichnet) zu und aus den Durchlässen 12a bis 12f des Zellstapelkörpers 12 zirkulieren lassen.
-
Wie durch die einmal lang und zweimal kurz gestrichelten Linien in 1 angegeben ist, werden mit den Zirkulationslöchern 22a bis 22f der Endplatte 20 jeweils Verbindungsrohre 16a bis 16f verbunden, um Anodengas, Kathodengas und ein Kühlmittel zuzuführen und abzuführen.
-
Die andere Endplatte 14 hat keine Zirkulationslöcher.
-
Es wird nun die Gestaltung der Endplatte 20 beschrieben.
-
Wie in 3 gezeigt ist, weist die Endplatte 20 einen metallische Plattenkörper 30 mit Durchgangslöchern 31 und einen aus Kunststoff bestehenden Bedeckungsabschnitt 40 auf. Der Bedeckungsabschnitt 40 hat Innenumfangsbedeckungsabschnitte 41, die jeweils die Innenumfangsflächen der Durchgangslöcher 31 bedecken. Die Durchgangslöcher 31 bilden jeweils die Zirkulationslöcher 22a bis 22f. Der Plattenkörper 30 besteht aus zum Beispiel Aluminium. Der Bedeckungsabschnitt 40 besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff wie Polypropylen.
-
Der Plattenkörper 30 wird durch Druckguss ausgebildet, was ein Metallgießverfahren ist. Der Bedeckungsabschnitt 40 wird mit dem Plattenkörper 30 durch Umspritzen, bei dem in eine Form mit in der Form eingeführtem Plattenkörper 30 geschmolzener Kunststoff eingespritzt wird, zu einer Einheit geformt.
-
In der folgenden Beschreibung wird die Seite in der Dickenrichtung des Plattenkörpers 30 näher am Zellstapelkörper 12 (die rechte Seite in 3) als die innere Seite bezeichnet, und die Seite fern vom Zellstapelkörper 12 (die linke Seite in 3) wird als die äußere Seite bezeichnet.
-
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, weist der Plattenkörper 30 einen Hauptabschnitt 30a, in dem die Durchgangslöcher 31 ausgebildet sind, und einen Flanschabschnitt 36 auf, der vom Außenumfang des Hauptabschnitts 30a wegsteht.
-
Wie in 3 gezeigt ist, bildet die innere Endfläche des Flanschabschnitts 36 eine Fixierfläche 36a. Der Flanschabschnitt 36 und der Flansch 18a werden aneinander durch Schrauben 61 und Muttern 62 fixiert, wobei sich die Fixierfläche 36a des Flanschabschnitts 36 und der Flansch 18a des Gehäuses 18 miteinander in Kontakt befinden.
-
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, befindet sich einwärts von der Fixierfläche 36a des Flanschabschnitts 36 eine innere Endfläche 33 des Hauptabschnitts 30a.
-
Der Plattenkörper 30 hat in der äußeren Endfläche des Hauptabschnitts 30a sich verbreiternde Vertiefungen 32. Jede sich verbreiternde Vertiefung 32 ist größer als der zentrale Abschnitt des entsprechenden Durchgangslochs 31.
-
Der Flanschabschnitt 36 hat auf der inneren Endfläche eine gegenüberliegende Vertiefung 37. Die gegenüberliegende Vertiefung 37 ist über den gesamten Umfang in einem Innenumfangsabschnitt angeordnet. Die gegenüberliegende Vertiefung 37 liegt dem Flansch 18a des Gehäuses 18 gegenüber und verläuft zur Außenumfangsfläche 34 des Hauptabschnitts 30a. In einem Teil der gegenüberliegenden Vertiefung 37, der dem Flansch 18a des Gehäuses 18 gegenüberliegt, ist ein Dichtungsabschnitt 37a ausgebildet, der von einer schleifenförmigen Nut gebildet wird, die tiefer als die anderen Abschnitte ist.
-
Wie in 3 gezeigt ist, ist jede sich verbreiternde Vertiefung 32 des Hauptabschnitts 30a mit einem äußeren Flanschabschnitt 42 gefüllt, der das äußere Ende des entsprechenden Innenumfangsbedeckungsabschnitts 41 des Bedeckungsabschnitts 40 bildet. Jeder äußere Flanschabschnitt 42 wird mit der Endfläche des entsprechenden einen der Verbindungsrohre 16a bis 16f in Kontakt gebracht.
-
Die innere Endfläche 33 des Hauptabschnitts 30a ist von einem inneren Bedeckungsabschnitt 43 bedeckt, der von den inneren Enden der Innenumfangsbedeckungsabschnitte 41 des Bedeckungsabschnitts 40 ausgeht. Der innere Bedeckungsabschnitt 43 stößt gegen die Endfläche des Zellstapelkörpers 12.
-
Die Außenumfangsfläche 34 des Hauptabschnitts 30a ist von einem Außenumfangsbedeckungsabschnitt 44 bedeckt, der von dem inneren Bedeckungsabschnitt 43 ausgeht.
-
Die gegenüberliegende Vertiefung 37 des Flanschabschnitts 36 ist mit einem gegenüberliegenden Abschnitt 46 gefüllt, der eine schleifenförmige Aufnahmenut 46b hat, die in einem Teil der inneren Endfläche 46a ausgebildet ist, die dem Dichtungsabschnitt 37a entspricht. Die Aufnahmenut 46b nimmt eine schleifenförmige Dichtung 50 auf, die den Spalt zwischen der Endplatte 20 und dem Gehäuse 18 abdichtet.
-
Wie in 5 gezeigt ist, ist die Umfangskante jeder sich verbreiternden Vertiefung 32, also die Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31, durch vier lineare Abschnitte 32a bis 32d und vier bogenförmige Abschnitte 32e bis 32h, die die Enden der linearen Abschnitte 32a bis 32b miteinander verbinden, ausgebildet, sodass sie eine im Wesentlichen rechteckige Gestalt hat.
-
Es ist vorzuziehen, dass der Krümmungsradius von jedem der bogenförmigen Abschnitte 32e bis 32h im Bereich zwischen einschließlich 8 mm und 15 mm liegt.
-
Wenn der Krümmungsradius weniger als 8 mm beträgt, kann die Spannung, die während des Umspritzens des Bedeckungsabschnitts 40 an der Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31 erzeugt wird, die zulässige Spannung überschreiten.
-
Wenn der Krümmungsradius größer als 15 mm ist, wird die Strömungsquerschnittsfläche am äußeren Ende von jedem der Zirkulationslöcher 22a bis 22f mehr als nötig eingeschränkt.
-
Es ist außerdem vorzuziehen, dass der Krümmungsradius im Bereich zwischen einschließlich 10 mm und 12 mm liegt.
-
Es wird nun eine Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
Beim Spritzen des Bedeckungsabschnitts 40 wird der Plattenkörper 30 von der Außenumfangsseite aus von einer (nicht gezeigten) Form gepresst, um so die Verformung des Plattenkörpers 30 aufgrund des Spritzgießdrucks des Kunststoffs einzuschränken.
-
Wie oben beschrieben wurde, ist es allerdings auch dann, wenn der Plattenkörper 30 von der Außenumfangsseite aus durch die Form gepresst wird, schwierig, zuverlässig eine Verformung der Umfangskante des äußeren Endes von jedem der Durchgangslöcher 31 in dem Plattenkörper 30 zu vermeiden.
-
Und zwar heben sich am inneren Ende jedes Durchgangslochs 31 der Spritzgießdruck zum Zeitpunkt des Ausbildens des Innenumfangsbedeckungsabschnitts 41 und der Spritzgießdruck zum Zeitpunkt des Ausbildens des Außenumfangsbedeckungsabschnitts 44 gegenseitig auf. Es ist somit unwahrscheinlich, dass eine Verformung auftritt. Im Gegensatz dazu wird der Spritzgießdruck zum Zeitpunkt des Ausbildens des Innenumfangs des Bedeckungsabschnitts 41 am äußeren Ende jedes Durchgangslochs 31 nicht aufgehoben, da die Außenumfangsfläche 36b des Flanschabschnitts 36 nicht mit Kunststoff bedeckt wird. Daher wird die Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31 durch den Spritzgießdruck tendenziell verformt.
-
Da in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich dessen der Krümmungsradius der bogenförmigen Abschnitte 32e bis 32h im Bereich zwischen einschließlich 8 mm und 15 mm liegt, ist es somit beim Spritzen des Bedeckungsabschnitts 40 (der Innenumfangsbedeckungsabschnitte 41 und des Außenumfangsbedeckungsabschnitts 44) möglich, die Spannung, die an der Umfangskante am äußeren Ende jedes Durchgangslochs 31 erzeugt wird, auf einen Wert zu reduzieren, der kleiner als die zulässige Maximalspannung ist. Es ist daher möglich, zuverlässig eine Verformung der Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31 zu vermeiden, die durch das Umspritzen hervorgerufen wird.
-
Die Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel hat den folgenden Vorteil.
- (1) Die Endplatte 20 weist den Plattenkörper 30 auf, der den Hauptabschnitt 30a und den Flanschabschnitt 36 hat. Die Außenumfangsfläche 34 des Hauptabschnitts 30a ist vom Außenumfangsbedeckungsabschnitt 44 bedeckt. Die Außenumfangsfläche 36b des Flanschabschnitts 36 liegt frei. Jedes Durchgangsloch 31 hat eine sich verbreiternde Vertiefung 32, die in der äußeren Endfläche des Hauptabschnitts 30a vertieft ist und größer als der zentrale Abschnitt des Durchgangslochs 31 ist. Jeder Innenumfangsbedeckungsabschnitt 41 hat einen äußeren Flanschabschnitt 42, der die sich verbreiternde Vertiefung 32 des entsprechenden Durchgangslochs 31 füllt. Die Umfangskante jeder sich verbreiternden Vertiefung 32 gestaltet die Umfangskante des äußeren Endes des entsprechenden Durchgangslochs 31, und sie wird von den vier linearen Abschnitten 32a bis 32b und den vier bogenförmigen Abschnitten 32e bis 32h, die die Enden der linearen Abschnitte 32a bis 32d miteinander verbinden, ausgebildet. Der Krümmungsradius von jedem der bogenförmigen Abschnitte 32e bis 32h liegt im Bereich zwischen einschließlich 8 mm und 15 mm.
-
Mit dieser Gestaltung wird beim Spritzen des Bedeckungsabschnitts (der Innenumfangsbedeckungsabschnitte 41 und der Außenumfangsbedeckungsabschnitte 44) die Spannung, die an der Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31 erzeugt wird, auf den zulässigen Spannungsbereich reduziert. Daher ist es möglich, zuverlässig eine Verformung der Umfangskante des äußeren Endes jedes Durchgangslochs 31 zu vermeiden, die durch das Umspritzen hervorgerufen wird. Dies bildet zuverlässig die Innenumfangsbedeckungsabschnitte 41 aus, während die Strömungsquerschnittsfläche am äußeren Ende jedes Zirkulationslochs sichergestellt wird.
-
<Abwandlungen>
-
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel kann wie folgt abgewandelt werden.
-
Der Plattenkörper 30 muss keine sich verbreiternden Vertiefungen 32 haben. In diesem Fall ist es lediglich notwendig, die Umfangskante des äußeren Endes von jedem Durchgangsloch 31 durch die vier linearen Abschnitte 31a bis 31d und die vier bogenförmigen Abschnitte 31e bis 31h, die die Enden der linearen Abschnitte 31a bis 31d verbinden, auszubilden und den Krümmungsradius von jedem der bogenförmigen Abschnitte 31e bis 31h im Bereich zwischen einschließlich 8 mm und 15 mm einzustellen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2016134335 A [0002, 0003, 0004, 0006]
- JP 2016096032 A [0002, 0003, 0005, 0006]
