DE102018201497B4

DE102018201497B4 - Brennstoffzelle und metallischer Separator für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102018201497B4
Application number: DE102018201497.3A
Authority: DE
Inventors: Kentaro Ishida; Masaaki Sakano; Xi Yang; Liang Xi; Siguang Xu; Richard D. Blakeley
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: CN108390077A; DE102018201497C5; JP6731008B2; CN108390077B; DE102018201497A1; US20180219233A1; US11011758B2; JP2018125288A

Abstract

Eine Energieerzeugungszelle (Brennstoffzelle) (12) umfasst eine Membranelektrolytanordnung (28a) und einen ersten und einen zweiten metallischen Separator (30), (32), welche jeweils an entgegengesetzten Seiten der Membranelektrolytanordnung (28a) angeordnet sind. Ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a), ein Kommunikationskanalwulstabschnitt (Wulstdichtung) (53a), welcher den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a) umgibt, und ein Brückenabschnitt (80) sind an dem ersten metallischen Separator (30) angeordnet. An einer Stelle, an welcher der Brückenabschnitt (80) angeordnet ist, ist die Breite (W1a) eines Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) größer als die Breite (W2a) des Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) an anderen Stellen davon.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und einen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle.
Beschreibung des Stands der Technik:
Zum Beispiel ist in einer Feststoff-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran (Polymer-Ionenaustauschmembran) zwischen einer Anode und einer Kathode eingefügt, um eine Membranelektrolytanordnung (MEA) zu bilden. In der Brennstoffzelle ist die Membranelektrolytanordnung sandwichartig zwischen Separatoren (bipolare Platten) eingefügt, um eine Energieerzeugungszelle (Einheitszelle) zu bilden. Ein Brennstoffzellenstapel, welcher einen gestapelten Körper umfasst, in welchem eine vorbestimmte Anzahl von Energieerzeugungszellen zusammengestapelt ist, ist zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug (Brennstoffzellenelektrofahrzeug etc.) montiert.
Mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel gibt es Situationen, in welchen metallische Separatoren, welche als Separatoren dienen, damit verwendet werden. Zu dieser Zeit sind, um eine Leckage eines Kühlmittels oder von Reaktionsgasen, welche ein sauerhaltiges Gas und ein Brenngas umfassen, Dichtelemente an den metallischen Separatoren bereitgestellt (siehe zum Beispiel die Beschreibung der US 7008584 B2 ).
Für derartige Dichtelemente werden aus einem auf Fluor basierenden Kautschuk oder Silikon oder dergleichen hergestellte gummielastische Dichtungen verwendet, welche zu einem Anstieg der Kosten führen. Somit ist zum Beispiel, wie in der Beschreibung der US 7718293 B2 offenbart, anstelle derartiger gummielastischer Dichtungen eine Struktur angenommen worden, in welcher konvex geformte Wulstdichtungen in den metallischen Separatoren gebildet sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die Reaktionsgase und das Kühlmittel separat zuzuführen und abzuführen, sind in dem gestapelten Körper der Brennstoffzelle Kanäle bereitgestellt, welche die metallischen Separatoren in der Stapelrichtung durchsetzen, und die jeweiligen Kanäle in den metallischen Separatoren sind separat durch Wulstdichtungen umgeben. Ferner sind, damit die Reaktionsgase zwischen dem Energieerzeugungsbereich und den Kanälen strömen, in den metallischen Separatoren Verbindungsströmungsfelder (Brückenabschnitte) bereitgestellt, welche zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Wulstdichtungen in Verbindung stehen. Daher entsteht in den Wulstdichtungen zwischen Bereichen, in welchen die Verbindungsströmungsfelder bereitgestellt sind, und anderen Bereichen (Bereiche, in welchen die Verbindungsströmungsfelder nicht bereitgestellt sind), eine große Abweichung des Flächendrucks (Kontaktdruck an Oberseiten der Wulstdichtungen).
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der oben genannten Probleme entwickelt worden und hat die Aufgabe, eine Brennstoffzelle und einen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche dazu in der Lage sind, Abweichungen des Flächendrucks, welche zwischen Bereichen, in welchen die Verbindungsströmungsfelder in den Wulstdichtungen bereitgestellt sind, und anderen Bereichen davon entstehen, auf einen kleinen Wert zu reduzieren.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 angegeben.
Die Brennstoffzelle enthält eine Membranelektrodenanordnung, in welcher Elektroden jeweils an entgegengesetzten Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet sind, und metallische Separatoren, welche jeweils an entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind, wobei Kanäle, durch welche ein Fluid, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, in einer Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung und der metallischen Separatoren strömt, Fluidströmungsfelder, durch welche das Fluid entlang von Flächen der metallischen Separatoren strömt, Verbindungsströmungsfelder, welche den Kanal mit den Fluidströmungsfeldern verbinden, und Wulstdichtungen, welche in der Stapelrichtung vorstehen und die Kanäle umgeben, an den metallischen Separatoren bereitgestellt sind, wobei die Verbindungsströmungsfelder derart gebildet sind, dass sie innere und äußere Seiten der Wulstdichtungen miteinander verbinden. Ferner ist an einer Stelle, an welcher die Verbindungsströmungsfelder angeordnet sind, eine Breite eines Wurzelabschnitts der Wulstdichtungen größer als eine Breite des Wurzelabschnitts der Wulstdichtungen an anderen Stellen der Wulstdichtungen.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle sind die Wulstdichtungen in einer Draufsicht betrachtet vorzugsweise mit einer welligen Form gebildet.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle sind Breiten eines oberen Abschnitts der Wulstdichtungen in einer Richtung, in welcher die Wulstdichtungen vorstehen, an der Stelle, an welcher die Verbindungsströmungsfelder angeordnet sind, und an den anderen Stellen der Wulstdichtungen vorzugsweise gleich.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle sind die Wulstdichtungen in einer Draufsicht betrachtet mit einer welligen Form gebildet; und in Bereichen, welche Scheiteln gebogener Teilbereiche entsprechen, welche die wellige Form an den Wulstdichtungen bilden, sind vorzugsweise Durchgangslöcher, welche wenigstens Teilbereiche der Verbindungsströmungsfelder ausmachen, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtungen bereitgestellt.
In der oben beschriebenen Brennstoffzelle umfassen die Verbindungsströmungsfelder vorzugsweise Durchgangslöcher, welche an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtungen bereitgestellt sind, und Tunnel, welche mit den Durchgangslöchern verbunden sind.
Ferner wird ein metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6 angegeben.
Der metallische Separator enthält eine Kanalöffnung, welche den Separator in einer Dickenrichtung durchsetzt und durch welche ein Fluid strömt, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, ein Fluidströmungsfeld, durch welches das Fluid entlang einer Fläche des Separators strömt, ein Verbindungsströmungsfeld, welches die Kanalöffnung mit dem Fluidströmungsfeld verbindet und eine Wulstdichtung, welche in der Dickenrichtung vorsteht und die Kanalöffnung umgibt, wobei das Verbindungsströmungsfeld derart gebildet ist, dass innere und äußere Seiten der Wulstdichtung miteinander verbindet. Ferner ist an einer Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, eine Breite eines Wurzelabschnitts der Wulstdichtung größer als eine Breite des Wurzelabschnitts der Wulstdichtung an anderen Stellen der Wulstdichtung.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle ist die Wulstdichtung in einer Draufsicht betrachtet vorzugsweise mit einer welligen Form gebildet.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle sind Breiten eines oberen Abschnitts der Wulstdichtung in einer Richtung, in welcher die Wulstdichtung vorsteht, an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, und an den anderen Stellen der Wulstdichtung vorzugsweise gleich.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise die Wulstdichtung in einer Draufsicht betrachtet mit einer welligen Form gebildet und in Bereichen, welche Scheiteln gebogener Teilbereiche entsprechen, welche die wellige Form an der Wulstdichtung bilden, sind Durchgangslöcher, welche die Kanalöffnung mit dem Strömungsfeld verbinden, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung bereitgestellt.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle sind vorzugsweise Durchgangslöcher, welche die Kanalöffnung mit dem Strömungsfeld verbinden, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung bereitgestellt und Tunnel sind mit den Durchgangslöchern verbunden.
Ferner wird ein metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11 angegeben.
Der metallische Separator enthält eine Kanalöffnung, welche den Separator in dessen Dickenrichtung durchsetzt und durch welche ein Fluid strömt, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, ein Fluidströmungsfeld, durch welches das Fluid entlang einer Fläche des Separators strömt, ein Verbindungsströmungsfeld, welches die Kanalöffnung mit dem Fluidströmungsfeld verbindet, und eine Wulstdichtung, welche in der Dickenrichtung vorsteht und den Kanal umgibt, bereitgestellt sind, wobei das Verbindungsströmungsfeld derart gebildet ist, dass es zwischen einer inneren und einer äußeren Seite der Wulstdichtung in Verbindung steht, und ein Winkel an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung in Bezug auf eine Ebene, welche zu der Dickenrichtung lotrecht ist, an einer Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, kleiner ist als ein Winkel an beiden Seiten der konvexen Form der Wulstdichtung in Bezug auf die Ebene an anderen Stellen der Wulstdichtung.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle ist eine Höhe der konvexen Form der Wulstdichtung an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, gleich einer Höhe der konvexen Form der Wulstdichtung an anderen Stellen der Wulstdichtung.
In dem oben beschriebenen metallischen Separator für eine Brennstoffzelle sind an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, Winkel einer Seitenwand und einer anderen Seitenwand der konvexen Form der Wulstdichtung in Bezug auf eine Ebene, welche zu der Dickenrichtung lotrecht ist, gleich.
Gemäß der Brennstoffzelle und dem metallischen Separator für eine Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist die Breite des Wurzelteilbereichs der Wulstdichtung an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld angeordnet ist, größer als an ihren anderen Stellen. Daher können Abweichungen des Flächendrucks, welche zwischen Bereichen, in welchen die Verbindungsströmungsfelder in den Wulstdichtungen bereitgestellt sind, und anderen Bereichen davon entstehen, auf einen kleinen Wert reduziert werden.
Das obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines illustrativen Beispiels gezeigt wird.
Figurenliste

1 ist eine erklärende perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels;
2 ist eine teilweise aufgelöste schematische perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels;
3 ist eine Querschnittsansicht des Brennstoffzellenstapels entlang einer Linie III-III in 2;
4 ist eine erklärende aufgelöste perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels, welche eine Energieerzeugungszelle zeigt;
5 ist eine erklärende Vorderansicht eines ersten metallischen Separators;
6 ist eine erklärende Ansicht wesentlicher Teile einer Wulstdichtung, welche in einem ersten metallischen Separator einen Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas umgibt;
7 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII in 6;
8A ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VIIIA-VIIIA in 6;
8B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VIIIB-VIIIB in 6;
9 ist eine erklärende Vorderansicht eines zweiten metallischen Separators;
10 ist eine erklärende Vorderansicht eines ersten metallischen Separators, bei welchem gemäß einer Abwandlung ein Brückenabschnitt bereitgestellt ist;
11 ist eine erklärende Vorderansicht eines zweiten metallischen Separators, bei welchem gemäß einer Abwandlung ein Brückenabschnitt bereitgestellt ist; und
12 ist eine Querschnittsansicht eines Kommunikationskanalwulstabschnitts eines Bereichs, in welchem die Brückenabschnitte gemäß der Abwandlung bereitgestellt sind.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst ein Brennstoffzellenstapel 10 einen gestapelten Körper 14, in welchem eine Mehrzahl von Energieerzeugungszellen (Brennstoffzellen) 12 in einer horizontalen Richtung (die Richtung des Pfeils A) oder in einer Richtung der Schwerkraft (die Richtung des Pfeils C) zusammengestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug, wie zum Beispiel einem Brennstoffzellenelektroautomobil (nicht gezeigt), montiert.
Eine Anschlussplatte 16a, ein Isolator 18a und eine Endplatte 20a sind in dieser Reihenfolge sequenziell in Richtung der Außenseite an einem Ende in der Stapelrichtung (die Richtung des Pfeils A) des gestapelten Körpers 14 angeordnet (siehe 2). Eine Anschlussplatte 16b, ein Isolator 18b und eine Endplatte 20b sind in dieser Reihenfolge sequenziell in Richtung der Außenseite an dem anderen Ende in der Stapelrichtung des gestapelten Körpers 14 angeordnet.
Wie in 1 gezeigt, weisen die Endplatten 20a, 20b zusammen mit Kopplungsstäben 24, welche zwischen jeweiligen Seiten der Endplatten 20a, 20b angeordnet sind, horizontal längliche Formen auf (sie können auch vertikal längliche Formen aufweisen). Beide Enden der jeweiligen Kopplungsstäbe 24 sind durch Schrauben 26 an inneren Flächen der Endplatten 20a, 20b befestigt, sodass in der wie durch den Pfeil A angezeigten Stapelrichtung eine Festziehlast auf die mehreren gestapelten Energieerzeugungszellen 12 aufgebracht wird. Der Brennstoffzellenstapel 10 kann mit einem Gehäuse ausgerüstet sein, in welchem die Endplatten 20a, 20b als Endplatten davon bereitgestellt sind, und eine Struktur kann bereitgestellt sein, in welcher der gestapelte Körper 14 innerhalb eines derartigen Gehäuses aufgenommen ist.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, ist die Energieerzeugungszelle 12 durch ein sandwichartiges Einfügen einer mit einem Harzfilm ausgerüsteten MEA 28 zwischen einem ersten metallischen Separator 30 und einem zweiten metallischen Separator 32 gebildet. Der erste metallische Separator 30 und der zweite metallische Separator 32 sind zum Beispiel aus Metallplatten, wie zum Beispiel Stahlplatten, Platten aus rostfreiem Stahl, Aluminiumplatten, plattiertem Stahlblech oder Metallplatten mit antikorrosiven Oberflächen, welche durch ein Durchführen einer Oberflächenbehandlung erzeugt werden, hergestellt. Der erste metallische Separator 30 und der zweite metallische Separator 32 sind mit einem Querschnitt gebildet, welcher durch Pressformen in welligen Formen vorliegt. Der erste metallische Separator 30 und der zweite metallische Separator 32 sind durch Schweißen, Löten oder Krimpen der äußeren Umfänge davon integral miteinander verbunden, um dadurch einen verbundenen Separator 33 zu bilden.
An einem Ende der Brennstoffzelle 12 (ein Ende in der horizontalen Richtung in 4), wie durch den Pfeil B angezeigt, welches die longitudinale Richtung der Brennstoffzelle 12 ist, sind ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, ein Kühlmittelzuführkanal 36a und ein Brenngasabführkanal 38b bereitgestellt. Der Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, der Kühlmittelzuführkanal 36a und der Brenngasabführkanal 38b stehen in der Richtung des Pfeils A gegenseitig miteinander in Verbindung. Der Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, der Kühlmittelzuführkanal 36a und der Brenngasabführkanal 38b sind sequenziell in einer vertikalen Richtung angeordnet, wie durch den Pfeil C angezeigt. Ein sauerstoffhaltiges Gas wird durch den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a zugeführt. Das Kühlmittel wird durch den Kühlmittelzuführkanal 36a zugeführt und ein Brenngas, wie zum Beispiel ein wasserstoffhaltiges Gas, wird durch den Brenngasabführkanal 38b abgeführt.
An dem anderen Ende der Energieerzeugungszelle 12 sind in der Richtung des Pfeils B ein Brenngaszuführkanal 38a, ein Kühlmittelabführkanal 36b und ein Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b bereitgestellt. Der Brenngaszuführkanal 38a, der Kühlmittelabführkanal 36b und der Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b stehen in der Richtung des Pfeils A gegenseitig miteinander in Verbindung und sind sequenziell in der Richtung des Pfeils C angeordnet. Das Brenngas wird durch den Brenngaszuführkanal 38a zugeführt, das Kühlmittel wird durch den Kühlmittelabführkanal 36b abgeführt und das sauerstoffhaltige Gas wird durch den Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b abgeführt. Die Anordnung des Zuführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34a und des Abführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34b wie auch des Brenngaszuführkanals 38a und des Brenngasabführkanals 38b ist nicht auf diejenige beschränkt, welche für diese Ausführungsform gezeigt ist. In Abhängigkeit erforderlicher Spezifikationen kann die Anordnung angemessen festgelegt werden.
Wie in 3 gezeigt, umfasst die mit dem Harzfilm ausgerüstete MEA 28, welche daran einen Harzfilm 46 mit einer rahmenähnlichen Form an dem äußeren Umfang umfasst, die Membranelektrodenanordnung 28a und den Harzfilm 46, welcher an einem äußeren Umfangsteilbereich der Membranelektrodenanordnung 28a bereitgestellt ist. Die Membranelektrodenanordnung 28a umfasst eine Elektrolytmembran 40 und eine Anode 42 sowie eine Katode 44, welche die Elektrolytmembran 40 dazwischen sandwichartig aufnehmen.
Die Elektrolytmembran 40 ist zum Beispiel eine Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran (Kationen-Ionen-Austauschmembran). Die Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran ist zum Beispiel durch ein Imprägnieren einer dünnen Membran aus Perfluorsulfonsäure mit Wasser gebildet. Die Elektrolytmembran 40 ist sandwichartig zwischen der Anode 20 und der Katode 22 eingefügt. Ein auf Fluor basierender Elektrolyt kann als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden. Alternativ kann ein auf HC (Kohlenwasserstoff -hydrocarbon) basierender Elektrolyt als die Elektrolytmembran 40 verwendet werden. Die Elektrolytmembran 40 weist eine kleinere planare Abmessung (äußere Abmessung) als die Anode 42 und die Katode 44 auf.
Ein Harzfilm 46 in der Form eines Rahmens ist sandwichartig zwischen einem Randteilbereich eines äußeren Umfangs der Anode 20 und einem Randteilbereich eines äußeren Umfangs der Katode 22 eingefügt. Eine Randfläche eines inneren Umfangs des Harzfilms 46 ist in unmittelbarer Nähe einer Randfläche eines äußeren Umfangs der Elektrolytmembran 40 angeordnet, überlappt dieselbe oder liegt an ihr an. Wie in 4 gezeigt, sind an einem Randteilbereich eines Endes des Harzfilms 46 in der Richtung des Pfeils B ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, ein Kühlmittelzuführkanal 36a und ein Brenngasabführkanal 38b bereitgestellt. An einem Randteilbereich eines anderen Endes des Harzfilms 46 sind in der Richtung des Pfeils B ein Brenngaszuführkanal 38a, ein Kühlmittelabführkanal 36b und ein Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b bereitgestellt.
Der Harzfilm 46 ist zum Beispiel aus PPS (Polyphenylensulfid - polyphenylene sulfide), PPA (Polyphthalamid - polyphthalamide), PEN (Polyethylennaphthalat - polyethylene naphthalate), PES (Polyethersulfon - polyethersulfone), LCP (Flüssigkristallpolymer - liquid crystal polymer), PVDF (Polyvinylidenfluorid - polyvinylidene fluoride), Silikonharz, Fluorharz, m-PPE (modifiziertes Polyphenylenetherharz - polyphenylene ether resin), PET (Polyethylenterephthalat - polyethylene terephthalate), PBT (Polybutylenterephthalat - polybutylene terephthalate) oder modifiziertem Polyolefin hergestellt. Die Elektrolytmembran 40 kann derart gebildet sein, dass sie nach außen vorsteht, ohne den Harzfilm 46 zu verwenden. Ferner kann ein rahmenförmiger Film an beiden Seiten der nach außen vorstehenden Elektrolytmembran 40 angeordnet sein.
Wie in 4 gezeigt, ist ein Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48, welches sich in der Richtung des Pfeils B erstreckt, zum Beispiel an einer Fläche 30a (im Folgenden als eine „vordere Fläche 30a“ bezeichnet) des ersten metallischen Separators 30 angeordnet, welche in Richtung der mit dem Harzfilm ausgerüsteten MEA 28 weist. Wie in 5 gezeigt, steht das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 fluidisch mit dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a und dem Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b in Verbindung. Das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 umfasst gerade Strömungsnuten 48b, welche zwischen einer Mehrzahl von Vorsprüngen 48a angeordnet sind, welche sich in der Richtung des Pfeils B erstrecken. Anstelle einer derartigen Mehrzahl von geraden Strömungsnuten 48b kann eine Mehrzahl welliger Strömungsnuten bereitgestellt sein.
An der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 ist ein Einlasspuffer 50a, welcher eine Mehrzahl erhabener Teilbereiche aufweist, zwischen dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a und dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 angeordnet. Ferner ist an der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 ein Auslasspuffer 50b, welcher eine Mehrzahl erhabener Teilbereiche aufweist, zwischen dem Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b und dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 angeordnet.
Eine erste Dichtungslinie (Metallwulstdichtung) 51, welche durch Pressformen gebildet ist, ist derart gebildet, dass sie in Richtung der mit dem Harzfilm ausgerüsteten MEA 28 an der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 vorsteht oder sich dahin aufwölbt. Die erste Dichtungslinie 51 umfasst einen Außenseitenwulstteilbereich 52 und eine Mehrzahl von Kommunikationskanalwulstabschnitten (Wulstdichtungen) 53. Der Außenseitenwulstteilbereich 52 umgibt einen Randteilbereich eines äußeren Umfangs der vorderen Fläche 30a und steht ebenso von der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 nach außen in Richtung der MEA 28 vor.
Wie in 3 gezeigt, sind an einer vorstehenden Endfläche der ersten Dichtungslinie 51 Harzelemente 56a durch Bedrucken oder Beschichten etc. daran befestigt und angebracht. Zum Beispiel können Polyesterfasern für die Harzelemente 56a verwendet werden. Die Harzelemente 56a können an dem Harzfilm 46 bereitgestellt sein. Die Harzelemente 56a sind keine wesentlichen Komponenten und können somit ausgeschlossen sein.
Wie in 5 gezeigt, steht die Mehrzahl von Kommunikationskanalwulstabschnitten 53 von der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 in Richtung der MEA 28 vor und umgibt ebenso separat jeweils den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, den Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b, den Brenngaszuführkanal 38a, den Brenngasabführkanal 38b, den Kühlmittelzuführkanal 36a und den Kühlmittelabführkanal 36b.
Die Kommunikationskanalwulstabschnitte 53 weisen wellige Formen auf. Insbesondere sind Bereiche entlang der langen Seiten der jeweiligen Kanäle 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b (zu den langen Seiten davon parallele Bereiche) innerhalb der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53 in einer Draufsicht betrachtet mit welligen Formen gebildet. Die Bereiche entlang den langen Seiten der jeweiligen Kanäle 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b innerhalb der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53 können in einer Draufsicht betrachtet auch mit geraden Formen gebildet sein.
Wie in 5 gezeigt, sind an dem ersten metallischen Separator 30 Brückenabschnitte (Verbindungsströmungsfelder) 80, 82 bereitgestellt, welche eine Kommunikation zwischen inneren Seiten (an der Seite der Kanäle 34a, 34b) und äußeren Seiten (an der Seite des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48) der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b ermöglichen, welche den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a bzw. den Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b umgeben.
Innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a sind mehrere Brückenabschnitte 80, welche an vorgegebenen Intervallen getrennt sind, in einem Bereich (im Folgenden als eine „Gasströmungsfeldseitenwulst 53a1“ bezeichnet) entlang einer langen Seite des Zuführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34a an der Seite des Gasströmungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 angeordnet. Innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53b sind mehrere Brückenabschnitte 82, welche an vorgegebenen Intervallen getrennt sind, in einem Bereich (im Folgenden als eine „Gasströmungsfeldseitenwulst 53b1“ bezeichnet) entlang einer langen Seite des Abführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34b an der Seite des Gasströmungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 angeordnet.
Der Kommunikationskanalwulstabschnitt 53a und der Kommunikationskanalwulstabschnitt 53b sind in der gleichen Weise gebildet. Ferner sind der Brückenabschnitt 80 an der Seite des Zuführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34a und der Brückenabschnitt 82 an der Seite des Abführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34b in der gleichen Weise gebildet. Daher wird im Folgenden eine detaillierte Beschreibung repräsentativ bezüglich der Strukturen des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a und des Brückenabschnitts 80 erfolgen, wohingegen eine detaillierte Beschreibung in Bezug auf die Strukturen des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53b und des Brückenabschnitts 82 weggelassen werden wird.
Wie in 6 gezeigt, ist der Brückenabschnitt 80 mit jeweiligen Scheitelteilen (zentrale Teilbereiche in der Richtung, in welcher sich die jeweiligen bogenförmig geformten gekrümmten Teilbereiche erstrecken) einer Mehrzahl bogenförmig gekrümmter Teilbereiche bereitgestellt, welche die wellige Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a ausmachen. Ferner umfasst, wie in den 6 und 7 gezeigt, der Brückenabschnitt 80 Durchgangslöcher 84a, 84b, welche an beiden Seiten (Seitenwände 53aw) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a angeordnet sind, und Tunnel 86, welche mit den Durchgangslöchern 84a, 84b verbunden sind.
Wie in 7 gezeigt, ist ein vertiefter Teil 53c, welcher eine rückseitige Form des konvex geformten Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a bildet, an dem ersten metallischen Separator 30 bereitgestellt. Der vertiefte Teil 53c macht einen inneren Raum 53d des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a aus. Die Durchgangslöcher 84a, 84b stehen zwischen dem Äußeren und dem inneren Raum 53d des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a in Verbindung. Der vertiefte Teil 53c des ersten metallischen Separators 30 ist in einer gegenüberliegenden Beziehung zu einem vertieften Teil 63c angeordnet, welcher eine rückseitige Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63 des zweiten metallischen Separators 32 bildet. Dementsprechend steht der innere Raum 53d des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a des ersten metallischen Separators 30 mit dem inneren Raum 63d des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63 des zweiten metallischen Separators 32 in Verbindung.
7 illustriert Querschnitte des ersten metallischen Separators 30 und des zweiten metallischen Separators 32 in einem zusammengebauten Zustand als der Brennstoffzellenstapel 10 (d. h. ein Zustand, in welchem eine Befestigungslast in der Stapelrichtung auf den gestapelten Körper 14 aufgebracht wird und ein Flächendruck aufgrund der Befestigungslast auf die Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 63 wirkt). Die Formen vorstehender distaler Endabschnitte 53t, 63t der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 63 können gekrümmte Formen sein, welche sich in Richtungen nach außen wölben, in welchen die Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 63 vor einem Zusammenbau davon vorstehen (d. h. ein Zustand, in welchem die oben genannte Festziehlast nicht aufgebracht wird). Jedoch werden, wie in 7 gezeigt, in einem zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 die Formen letztlich flache Formen werden. Dasselbe trifft auch in den 8A, 8B und auch 12 zu.
Die Tunnel 86 haben konvexe Formen, welche von der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30 in Richtung der MEA 28 vorstehen, und umfassen ebenso Tunnelkanäle 86a, 86b, welche durch die Durchgangslöcher 84a, 84b mit dem inneren Raum 53d des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63a in Verbindung stehen. Die Tunnel 86 umfassen einen ersten Tunnelabschnitt 86A, welcher zwischen dem inneren Raum 53d und dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a in Verbindung steht, und einen zweiten Tunnelabschnitt 86B, welcher zwischen dem inneren Raum 53d und dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 in Verbindung steht (siehe 5). Der erste Tunnelabschnitt 86A und der zweite Tunnelabschnitt 86B stehen in gegenseitig entgegengesetzten Richtungen von dem Kommunikationskanalwulstabschnitt 53a entlang der Ebene des ersten metallischen Separators 30 vor. Öffnungen 86c, welche das Innere und das Äußere des zweiten Tunnelabschnitts 86B durchsetzen, sind an Endteilen davon an einer gegenüberliegenden Seite von der Stelle, an welcher die Öffnungen 86c mit dem Kommunikationskanalwulstabschnitt 53a verbunden sind, in dem zweiten Tunnelabschnitt 86B angeordnet.
Wie in 6 gezeigt, ist an einer Stelle, an welcher die Brückenabschnitte 80 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a angeordnet sind, die Breite W1a (siehe 8A) des Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a größer als die Breite W2a (siehe 8B) des Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a an anderen Stellen (Bereiche, in welchem die Brückenabschnitte 80 nicht bereitgestellt sind) davon. In diesem Fall umfassen die Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a bereitgestellt sind, diejenigen Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 mit dem Kommunikationskanalwulstabschnitt 53a verbunden sind, und eine Nachbarschaft der Stellen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform überspannt innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a die Breite des Wurzelabschnitts an Stellen zwischen den gegenseitig benachbarten Brückenabschnitten 80 die gesamte Länge zwischen den Brückenabschnitten 80 und ist auf die oben genannte Breite W1a festgesetzt, welche größer ist als die Breite W2a an den oben genannten anderen Stellen. Ferner ist innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a die Breite des Wurzelabschnitts an Stellen, welche den Seiten der oben genannten anderen Stellen der Brückenabschnitte 80 benachbart sind, an beiden Enden der Mehrzahl von Brückenabschnitten 80 auch auf die oben genannte Breite W1a festgesetzt, welche größer ist als die Breite W2a an den oben genannten anderen Stellen.
Wie in 6 gezeigt, ist an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 angeordnet sind, die Breite W1b des vorstehenden distalen Endabschnitts 53t (siehe 8A), welcher einen Scheitel des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a bildet, die gleiche wie die Breite W2b (siehe 8B) des vorstehenden distalen Endabschnitts 53t des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a an anderen Stellen davon.
An Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 angeordnet sind, ist die Höhe h1 (siehe 8A) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a die gleiche wie die Höhe h2 (siehe 8B) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a an den anderen Stellen davon.
Der Kommunikationskanalwulstabschnitt 53a weist eine sich verjüngende Form auf, welche sich in Richtung der Seite des vorstehenden distalen Endabschnitts 53t verjüngt, und Seitenwände 53aw an beiden Seiten davon sind in Bezug auf eine zu der Dickenrichtung des ersten metallischen Separators 30 lotrechte Fläche geneigt.
An Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 angeordnet sind, sind Winkel α (Winkel in Bezug auf eine zu der Dickenrichtung lotrechte Ebene) (siehe 8A) an beiden Seiten (Seitenwände 53aw) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a kleiner als die Winkel β (siehe 8B) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a an anderen Stellen davon. Wie in 8A gezeigt, sind an den Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 angeordnet sind, ein Winkel α1 einer Seitenwand 53aw der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a und ein Winkel α2 der anderen Seitenwand 53aw davon gleich.
Wie in 4 gezeigt, ist ein Brenngasströmungsfeld 58, welches sich zum Beispiel in der Richtung des Pfeils B erstreckt, an einer Fläche 32a (im Folgenden als eine „vordere Fläche 32a“ bezeichnet) des zweiten metallischen Separators 32 angeordnet, welche in Richtung der mit dem Harzfilm ausgerüsteten MEA 28 weist. Das Brenngasströmungsfeld 58 steht fluidisch mit dem Brenngaszuführkanal 38a und dem Brenngasabführkanal 38b in Verbindung. Das Brenngasströmungsfeld 58 umfasst gerade Strömungsnuten 58b, welche zwischen einer Mehrzahl von Vorsprüngen 58a angeordnet sind, welche sich in der Richtung des Pfeils B erstrecken. Anstelle einer derartigen Mehrzahl gerader Strömungsnuten 58b kann eine Mehrzahl welliger Strömungsnuten bereitgestellt sein.
An der vorderen Fläche 32a des zweiten metallischen Separators 32 ist ein Einlasspuffer 60a, welcher eine Mehrzahl erhabener Teilbereiche aufweist, zwischen dem Brenngaszuführkanal 38a und dem Brenngasströmungsfeld 58 angeordnet. Ferner ist an der vorderen Fläche 32a des zweiten metallischen Separators 32 ein Auslasspuffer 60b, welcher eine Mehrzahl erhabener Teilbereiche aufweist, zwischen dem Brenngasabführkanal 38b und dem Brenngasströmungsfeld 58 angeordnet.
Eine zweite Dichtungslinie (Metallwulstdichtung) 61, welche durch Pressformen gebildet ist, ist derart gebildet, dass sie in Richtung der mit dem Harzfilm ausgerüsteten MEA 28 an der vorderen Fläche 32a des zweiten metallischen Separators 32 vorsteht oder sich dahin aufwölbt. Die zweite Dichtungslinie 61 umfasst einen Außenseitenwulstteilbereich 62 und eine Mehrzahl von Kommunikationskanalwulstabschnitten (Wulstdichtungen) 63. Der Außenseitenwulstteilbereich 62 geht entlang eines Randteilbereichs eines äußeren Umfangs der vorderen Fläche 32a herum und steht ebenso von der vorderen Fläche 32a des zweiten metallischen Separators 32 nach außen vor.
Wie in 3 gezeigt, sind an einer vorstehenden Endfläche der ersten Dichtungslinie 51 Harzelemente 56a durch Bedrucken oder Beschichten etc. daran befestigt und angebracht. Zum Beispiel können Polyesterfasern für die Harzelemente 56a verwendet werden. Die Harzelemente 56a können an dem Harzfilm 46 bereitgestellt sein. Die Harzelemente 56a sind keine wesentlichen Komponenten und können somit ausgeschlossen sein.
Wie in 9 gezeigt, steht die Mehrzahl von Kommunikationskanalwulstabschnitten 63 von der vorderen Fläche 32a des zweiten metallischen Separators 32 vor und umgibt ebenso separat jeweils den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, den Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b, den Brenngaszuführkanal 38a, den Brenngasabführkanal 38b, den Kühlmittelzuführkanal 36a und den Kühlmittelabführkanal 36b.
Die Kommunikationskanalwulstabschnitte 63 weisen wellige Formen auf. Insbesondere sind Bereiche entlang der langen Seiten der jeweiligen Kanäle 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b (zu den langen Seiten davon parallele Bereiche) innerhalb der Kommunikationskanalwulstabschnitte 63 in einer Draufsicht betrachtet mit welligen Formen gebildet. Die Bereiche entlang den langen Seiten der jeweiligen Kanäle 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b innerhalb der Kommunikationskanalwulstabschnitte 63 können in einer Draufsicht betrachtet auch mit geraden Formen gebildet sein.
An dem zweiten metallischen Separator 32 sind Brückenabschnitte (Verbindungsströmungsfelder) 90, 92 bereitgestellt, welche eine Kommunikation zwischen inneren Seiten (an der Seite der Kanäle 38a, 38b) und äußeren Seiten (an der Seite des Brenngasströmungsfelds 58) der Kommunikationskanalwulstabschnitte 63a, 63b ermöglichen, welche den Brenngaszuführkanal 38a bzw. den Brenngasabführkanal 38b umgeben.
Innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63a sind mehrere Brückenabschnitte 90, welche an vorgegebenen Intervallen getrennt sind, in einem Bereich (im Folgenden als eine „Gasströmungsfeldseitenwulst 63a1“ bezeichnet) entlang einer langen Seite des Brenngaszuführkanals 38a an der Seite des Brenngasströmungsfelds 58 angeordnet. Innerhalb des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63b sind mehrere Brückenabschnitte 92, welche an vorgegebenen Intervallen getrennt sind, in einem Bereich (im Folgenden als eine „Gasströmungsfeldseitenwulst 63b1“ bezeichnet) entlang einer langen Seite des Brenngasabführkanals 38b an der Seite des Brenngasströmungsfelds 58 angeordnet.
Die Brückenabschnitte 90, 92, welche an dem zweiten metallischen Separator 32 bereitgestellt sind, sind in der gleichen Weise wie die oben genannten Brückenabschnitte 80, 82 gebildet, welche an dem ersten metallischen Separator 30 bereitgestellt sind (siehe 6 bis 8B). Die Kommunikationskanalwulstabschnitte 63a, 63b sind in der gleichen Weise wie die oben genannten Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b gebildet. Dementsprechend sind bezüglich der Form (Breite, Höhe, Winkel) des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63a die gegenseitigen Größenbeziehungen zwischen den Bereichen, in welchen die Brückenabschnitte 90 bereitgestellt sind, und den anderen Bereichen davon die gleichen wie diejenigen des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a des ersten metallischen Separators 30. Ferner sind bezüglich der Form (Breite, Höhe, Winkel) des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63b die gegenseitigen Größenbeziehungen zwischen den Bereichen, in welchen die Brückenabschnitte 92 bereitgestellt sind, und den anderen Bereichen davon die gleichen wie diejenigen des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53b des ersten metallischen Separators 30.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, ist ein Kühlmittelströmungsfeld 66 zwischen einer Fläche 30b des ersten metallischen Separators 30 und einer Fläche 32b des zweiten metallischen Separators 32 gebildet, wobei die Flächen verbunden sind. Das Kühlmittelströmungsfeld 66 ist verbunden und steht fluidisch in Verbindung mit dem Kühlmittelzuführkanal 36a und dem Kühlmittelabführkanal 36b. Das Kühlmittelströmungsfeld 66 ist durch ein Stapeln und ein passendes Zusammenfügen der Form der hinteren Fläche des ersten metallischen Separators 30, an welcher das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 gebildet ist, und der Form der hinteren Fläche des zweiten metallischen Separators 32 gebildet, an welcher das Brenngasströmungsfeld 58 gebildet ist. Der erste metallische Separator 30 und der zweite metallische Separator 32 sind durch ein Schweißen der Umfänge und um die Kanäle verbunden. Anstelle von Schweißen können die Separatoren durch Löten verbunden sein.
Wie in 2 gezeigt, sind die Anschlussplatten 16a, 16b aus einem Material, zum Beispiel ein Metall, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder rostfreier Stahl etc., hergestellt, welches eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Etwa in den Zentren jeder Anschlussplatte 16a, 16b sind Anschlüsse 68a, 68b bereitgestellt, welche sich in der Stapelrichtung nach außen erstrecken.
Die Isolatoren 18a, 18b sind durch ein isolierendes Material, zum Beispiel ein Polykarbonat (PC - polycarbonate) oder Phenolharz oder dergleichen, hergestellt. Im Wesentlichen in den Zentren jedes der Isolatoren 18a, 18b, sind Vertiefungen 76a, 76b gebildet, welche in Richtungen in Richtung des gestapelten Körpers 14 geöffnet sind, und Öffnungen 72a, 72b sind an der Bodenfläche der Vertiefungen 76a, 76b angeordnet.
An Randteilbereichen eines Endes des Isolators 18a und der Endplatte 20a sind in der Richtung des Pfeils B ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a, ein Kühlmittelzuführkanal 36a und ein Brenngasabführkanal 38b bereitgestellt. An Randteilbereichen eines anderen Endes des Isolators 18a und der Endplatte 20a sind in der Richtung des Pfeils B ein Brenngaszuführkanal 38a, ein Kühlmittelabführkanal 36b und ein Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b bereitgestellt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist die Anschlussplatte 16a in der Vertiefung 76a des Isolators 18a aufgenommen, wohingegen die Anschlussplatte 16b in der Vertiefung 76b des Isolators 18b aufgenommen ist.
Wie in 1 gezeigt, sind die Kopplungsstäbe 24 zwischen jeweiligen Seiten der Endplatten 20a, 20b angeordnet. Beide Enden der jeweiligen Kopplungsstäbe 24 sind durch Schrauben 26 an den inneren Flächen der Endplatten 20a, 20b befestigt und eine Festziehlast wird in der Stapelrichtung auf den gestapelten Körper 14 aufgebracht, wodurch der Brennstoffzellenstapel 10 zusammengebaut wird.
Der Arbeitsprozess des Brennstoffzellenstapels 10, welcher in der vorstehenden Weise aufgebaut ist, wird beschrieben werden.
Als Erstes wird, wie in 1 gezeigt, ein sauerstoffhaltiges Gas, zum Beispiel Luft, dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a der Endplatte 20a zugeführt. Ein Brenngas, wie zum Beispiel ein wasserstoffhaltiges Gas oder dergleichen wird dem Brenngaszuführkanal 38a der Endplatte 20a zugeführt. Ferner wird ein Kühlmittel, wie zum Beispiel reines Wasser, Ethylenglykol, oder Öl dem Kühlmittelzuführkanal 36a der Endplatte 20a zugeführt.
Wie in 4 gezeigt, strömt das sauerstoffhaltige Gas von dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a und über den Brückenabschnitt 80 (siehe 5) in das Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas 48 des ersten metallischen Separators 30. Zu dieser Zeit strömt, wie in 7 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas zuerst von dem Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a zu der Seite der hinteren Fläche 30b des ersten metallischen Separators 30 (zwischen dem ersten metallischen Separator 30 und dem zweiten metallischen Separator 32) und strömt, nachdem es die Innenräume der Tunnel 86 (Tunnelkanäle 86a, 86b) und das Innere (innerer Raum 53d) des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a passiert hat, aus den Öffnungen 86d heraus zu der Seite der vorderen Fläche 30a des ersten metallischen Separators 30. Zusätzlich strömt, wie in 4 gezeigt, das sauerstoffhaltige Gas entlang des Strömungsfelds für sauerstoffhaltiges Gas 48 in der Richtung des Pfeils B und das sauerstoffhaltige Gas wird der Katode 44 der Membranelektrolytanordnung 28a zugeführt.
In der Zwischenzeit strömt das Brenngas von dem Brenngaszuführkanal 38a und über den Brückenabschnitt 90 (siehe 9) in das Brenngasströmungsfeld 58 des zweiten metallischen Separators 32. Das Brenngas bewegt sich entlang des Brenngasströmungsfelds 58 in Richtung der Richtung des Pfeils B und das Brenngas wird der Anode 42 der Membranelektrolytanordnung 28a zugeführt, wodurch an der Anode 42 eine elektrochemische Reaktion induziert wird.
Folglich werden in jeder der Membranelektrolytanordnungen 28a das sauerstoffhaltige Gas, welches der Katode 44 zugeführt wird, und das Brenngas, welches der Anode 42 zugeführt wird, teilweise in elektrochemischen Reaktionen verbraucht, welche in der zweiten Elektrodenkatalysatorschicht 44a und der ersten Elektrodenkatalysatorschicht 42a stattfinden, wodurch Elektrizität erzeugt wird.
Als Nächstes strömt das sauerstoffhaltige Gas, welches der Katode 44 zugeführt und teilweise an dieser verbraucht wird, von dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas durch die Brückenabschnitte 82 und zu dem Abführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34b und das sauerstoffhaltige Gas wird in der Richtung des Pfeils A entlang des Abführkanals für sauerstoffhaltiges Gas 34b abgeführt. In der gleichen Weise strömt das Brenngas, welches der Anode 42 zugeführt und teilweise an dieser verbraucht wird, von dem Brenngasströmungsfeld 58 durch die Brückenabschnitte 92 und zu dem Brenngasabführkanal 38b und das Brenngas wird in der Richtung des Pfeils A entlang des Brenngasabführkanals 38b abgeführt.
Ferner strömt das Kühlmittel, welches dem Kühlmittelzuführkanal 36a zugeführt wird, in das Kühlmittelströmungsfeld 66 zwischen dem ersten metallischen Separator 30 und dem zweiten metallischen Separator 32 und danach strömt das Kühlmittel in der Richtung des Pfeils B. Nachdem das Kühlmittel die Membranelektrolytanordnung 28a gekühlt hat, wird das Kühlmittel von dem Kühlmittelabführkanal 36b abgeführt.
In diesem Fall, mit der Energieerzeugungszelle 12 gemäß der ersten Ausführungsform, wie in den 6, 8A und 8B gezeigt, sind an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) angeordnet sind, die Breiten W1a der Wurzelabschnitte der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a (53b, 63a, 63b) größer als die Breiten W2a der Wurzelabschnitte der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a (53b, 63a, 63b) an anderen Stellen davon. Ferner sind an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) angeordnet sind, die Winkel α (siehe 8A) an beiden Seiten der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a (53b, 63a, 63b) kleiner als die Winkel β (siehe 8B) der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a (53b, 63a, 63b) an anderen Stellen davon.
Daher können Abweichungen des Flächendrucks, welche zwischen Bereichen, in welchen die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) bereitgestellt sind, und anderen Bereichen in den Kommunikationskanalwulstabschnitten 53a (53b, 63a, 63b) entstehen, auf einen kleinen Wert reduziert werden. Insbesondere kann durch ein Festsetzen, dass die Breiten W1a der Wurzelabschnitte der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a (53b, 63a, 63b) an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) angeordnet sind, größer sind als die Breiten W2a in anderen Bereichen davon, ein Anstieg des Flächendrucks der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a (53b, 63a, 63b) aufgrund des Einflusses der Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) unterdrückt werden. Ferner kann durch ein Festsetzen, dass die Winkel α (siehe 8A) an beiden Seiten der konvexen Form des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a (53b, 63a, 63b) an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) angeordnet sind, kleiner sind als die Winkel β an anderen Stellen davon, ein Anstieg des Flächendrucks der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a (53b, 63a, 63b) aufgrund eines Einflusses der Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) unterdrückt werden. Somit ist es möglich, zu verhindern, dass ein Schaden für das Dichtelement entsteht, oder zu verhindern, dass ein Schaden für die mit dem Harzfilm ausgerüstete MEA 28 entsteht.
Wie oben erörtert, ist eine Konfiguration beschrieben worden, bei welcher die Brückenabschnitte 80 (82, 90, 92) bereitgestellt sind, welche die Tunnel 86 darin aufweisen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Merkmal beschränkt. Wie in 10 gezeigt, können Brückenabschnitte 100, 102, welche keine Tunnel aufweisen, in dem ersten metallischen Separator 30 bereitgestellt sein und, wie in 11 gezeigt, können Brückenabschnitte 104, 106, welche keine Tunnel aufweisen, in dem zweiten metallischen Separator 32 bereitgestellt sein.
Wie in 10 gezeigt, sind die Brückenabschnitte 100 in einer Mehrzahl an vorgegebenen Intervallen entlang der Gasströmungsfeldseitenwulst 53a1 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a angeordnet. Die jeweiligen Brückenabschnitte 100 umfassen Durchgangslöcher 100a, 100b, welche zwischen dem Äußeren und dem inneren Raum 53d (siehe 12) des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a in Verbindung stehen. Die Brückenabschnitte 102 sind in einer Mehrzahl an vorgegebenen Intervallen entlang der Gasströmungsfeldseitenwulst 53b1 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53b angeordnet. Die jeweiligen Brückenabschnitte 102 umfassen Durchgangslöcher 102a, 102b, welche zwischen dem Äußeren und dem inneren Raum des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53b in Verbindung stehen.
Wie in 11 gezeigt, sind Brückenabschnitte 104 in einer Mehrzahl an vorgegebenen Intervallen entlang der Gasströmungsfeldseitenwulst 63a1 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63a angeordnet. Die jeweiligen Brückenabschnitte 104 umfassen Durchgangslöcher 104a, 104b, welche zwischen dem Äußeren und dem inneren Raum des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63a in Verbindung stehen. Brückenabschnitte 106 sind in einer Mehrzahl an vorgegebenen Intervallen entlang der Gasströmungsfeldseitenwulst 63b1 des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63b angeordnet. Die jeweiligen Brückenabschnitte 106 umfassen Durchgangslöcher 106a, 106b, welche zwischen dem Äußeren und dem inneren Raum des Kommunikationskanalwulstabschnitts 63b in Verbindung stehen.
Wie in 12 gezeigt, durchsetzen die Durchgangslöcher 100a, 100b Seitenwände 53aw an beiden Seiten des Kommunikationskanalwulstabschnitts 53a, welche den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas 34a des ersten metallischen Separators 30 umgeben. Folglich stehen die Durchgangslöcher 100a, 100b zwischen der vorderen Fläche 30a und der hinteren Fläche 30b des ersten metallischen Separators 30 in Verbindung. Die Durchgangslöcher 102a, 102b, 104a, 104b, 106a, 106b der anderen Brückenabschnitte 102, 104, 106 sind auch in der gleichen Weise wie die Durchgangslöcher 110a, 110b gebildet.
Andere Strukturen (Anordnungspositionen) der Brückenabschnitte 100, 102, 104, 106 sind in der gleichen Weise wie diejenigen der oben genannten Brückenabschnitte 80, 82, 90, 92 gebildet. Dementsprechend ist an den Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 100, 102, 104, 106 angeordnet sind, die Breite W1a der Wurzelabschnitte der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b, 63a, 63b größer als die Breite W2a (siehe 8B) der Wurzelabschnitte der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b, 63a, 63b an anderen Stellen davon. Ferner sind an Stellen, an welchen die Brückenabschnitte 100, 102, 104, 106 angeordnet sind, die Winkel α (α1, α2) an beiden Seiten der konvexen Form der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b, 63a, 63b kleiner als die Winkel β (siehe 8B) der konvexen Form der Kommunikationskanalwulstabschnitte 53a, 53b, 63a, 63b an anderen Stellen davon. Folglich können Abweichungen des Flächendrucks, welche zwischen Bereichen, in welchen die Brückenabschnitte 100, 102, 104, 106 bereitgestellt sind, und anderen Bereichen in den Kommunikationskanalwulstabschnitten 53a, 53b, 63a, 63b entstehen, auf einen kleinen Wert reduziert werden.
Eine Energieerzeugungszelle (Brennstoffzelle) (12) umfasst eine Membranelektrolytanordnung (28a) und einen ersten und einen zweiten metallischen Separator (30), (32), welche jeweils an entgegengesetzten Seiten der Membranelektrolytanordnung (28a) angeordnet sind. Ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a), ein Kommunikationskanalwulstabschnitt (Wulstdichtung) (53a), welcher den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a) umgibt, und ein Brückenabschnitt (80) sind an dem ersten metallischen Separator (30) angeordnet. An einer Stelle, an welcher der Brückenabschnitt (80) angeordnet ist, ist die Breite (W1a) eines Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) größer als die Breite (W2a) des Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) an anderen Stellen davon.
Eine Energieerzeugungszelle (Brennstoffzelle) (12) umfasst eine Membranelektrolytanordnung (28a) und einen ersten und einen zweiten metallischen Separator (30), (32), welche jeweils an entgegengesetzten Seiten der Membranelektrolytanordnung (28a) angeordnet sind. Ein Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a), ein Kommunikationskanalwulstabschnitt (Wulstdichtung) (53a), welcher den Zuführkanal für sauerstoffhaltiges Gas (34a) umgibt, und ein Brückenabschnitt (80) sind an dem ersten metallischen Separator (30) angeordnet. An einer Stelle, an welcher der Brückenabschnitt (80) angeordnet ist, ist die Breite (W1a) eines Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) größer als die Breite (W2a) des Wurzelabschnitts des Kommunikationskanalwulstabschnitts (53a) an anderen Stellen davon.

Claims

Brennstoffzelle (12), umfassend eine Membranelektrodenanordnung (28a), in welcher Elektroden (42, 44) jeweils an entgegengesetzten Seiten einer Elektrolytmembran (40) angeordnet sind, und metallische Separatoren (30, 32), welche jeweils an entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung (28a) angeordnet sind, wobei an den metallischen Separatoren (30, 32) bereitgestellt sind: Kanäle (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), durch welche ein Fluid, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, in einer Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung (28a) und der metallischen Separatoren (30, 32) strömt, Fluidströmungsfelder (48, 58), durch welche das Fluid entlang Flächen der metallischen Separatoren (30, 32) strömt, Verbindungsströmungsfelder (80, 82,90, 92), welche die Kanäle (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) mit den Fluidströmungsfeldern (48, 58) verbinden, und Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63), welche in der Stapelrichtung vorstehen und die Kanäle (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) umgeben, wobei die Verbindungsströmungsfelder (80, 82, 90, 92) derart gebildet sind, dass sie innere und äußere Seiten der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) miteinander verbinden, und an einer Stelle, an welcher die Verbindungsströmungsfelder (80, 82) angeordnet sind, eine Breite (W1a) eines Wurzelabschnitts (53a) der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) größer ist als eine Breite (W2a) des Wurzelabschnitts (53a) an anderen Stellen der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63).
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) in Draufsicht betrachtet mit einer welligen Form gebildet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei Breiten (W1b, W2b) eines oberen Abschnitts der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) in einer Richtung, in welcher die Wulstdichtungen vorstehen, an der Stelle, an welcher die Verbindungsströmungsfelder (80, 82, 90, 92) angeordnet sind, und an anderen Stellen der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) gleich sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei: in Bereichen, welche Scheiteln gebogener Teilbereiche entsprechen, welche die wellige Form an den Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) bilden, Durchgangslöcher (84a, 84b), welche wenigstens Teilbereiche der Verbindungsströmungsfelder (80, 82, 90, 92) ausmachen, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) bereitgestellt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsströmungsfelder (80, 82, 90, 92) Durchgangslöcher (84a, 84b), welche an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtungen (51, 53, 61, 63) bereitgestellt sind, und Tunnel (86), welche mit den Durchgangslöchern (84a, 84b) verbunden sind, umfassen.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle, an welcher bereitgestellt sind: eine Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), welche den Separator (30, 32) in dessen Dickenrichtung durchsetzt und durch welche ein Fluid strömt, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, ein Fluidströmungsfeld (48, 58), durch welches das Fluid entlang einer Fläche des Separators (30, 32) strömt, ein Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92), welches die Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) mit dem Fluidströmungsfeld (48, 58) verbindet, und eine Wulstdichtung (51, 53, 61, 63), welche in der Dickenrichtung vorsteht und die Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) umgibt, wobei das Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92) derart gebildet ist, dass es innere und äußere Seiten der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) miteinander verbindet, und an einer Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92) angeordnet ist, eine Breite (W1a) eines Wurzelabschnitts (53a) der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) größer ist als eine Breite (W2a) des Wurzelabschnitts (53a) an anderen Stellen der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63).
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in Draufsicht betrachtet mit einer welligen Form gebildet ist.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei eine Breite (W1b, W2b) eines oberen Abschnitts der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in einer Richtung, in welcher die Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) vorsteht, an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld (80, 82) angeordnet ist, und an anderen Stellen der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) gleich ist.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei: die Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in einer Draufsicht betrachtet mit einer welligen Form gebildet ist; und in Bereichen, welche Scheiteln gebogener Teilbereiche entsprechen, welche die wellige Form an der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) bilden, Durchgangslöcher (84a, 84b), welche die Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) mit dem Strömungsfeld (48, 58) verbinden, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) bereitgestellt sind.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei: Durchgangslöcher (84a, 84b), welche die Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) mit dem Strömungsfeld (80, 82) verbinden, an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) bereitgestellt sind; und Tunnel (86) mit den Durchgangslöchern (84a, 84b) verbunden sind.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle, an welcher bereitgestellt sind: eine Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b), welche den Separator (30, 32) in dessen Dickenrichtung durchsetzt und durch welche ein Fluid strömt, wobei das Fluid ein Brenngas, ein sauerstoffhaltiges Gas oder ein Kühlmittel ist, ein Fluidströmungsfeld (48, 58), durch welches das Fluid entlang einer Fläche des Separators (30, 32) strömt, ein Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92), welches die Kanalöffnung ((34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) mit dem Fluidströmungsfeld (48, 58) verbindet, und eine Wulstdichtung (51, 53, 61, 63), welche in der Dickenrichtung vorsteht und die Kanalöffnung (34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b) umgibt, wobei das Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92) derart gebildet ist, dass es innere und äußere Seiten der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) miteinander verbindet, und ein Winkel (a) an beiden Seiten einer konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in Bezug auf eine Ebene, welche zu der Dickenrichtung lotrecht ist, an einer Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92) angeordnet ist, kleiner ist als ein Winkel (β) an beiden Seiten der konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in Bezug auf die Ebene an anderen Stellen der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63).
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei eine Höhe (h1) der konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld (80, 82, 90, 92) angeordnet ist, gleich einer Höhe (h2) der konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) an anderen Stellen der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) ist.
Metallischer Separator für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei an der Stelle, an welcher das Verbindungsströmungsfeld (80, 82) angeordnet ist, Winkel (α1, α2) an einer Seitenwand (53aw) und einer anderen Seitenwand (53aw) der konvexen Form der Wulstdichtung (51, 53, 61, 63) in Bezug auf eine Ebene, welche zu der Dickenrichtung lotrecht ist, gleich sind.