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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND
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Ein Separator einer Brennstoffzelle ist mit Strömungspfadnuten ausgebildet, durch welche Reaktionsgas zwischen dem Separator und einer Membran-Elektrodenbaugruppe strömt. Ein Teil des Reaktionsgases, das in den Strömungspfadnuten strömt, wird der Membran-Elektrodenbaugruppe zugeführt, sodass die Stromerzeugungsreaktion in der Membran-Elektrodenbaugruppe stattfindet. In der
japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014-026960 ist der Separator beispielsweise mit Wellennuten und einer geradlinigen Nut als den Strömungspfadnuten ausgebildet.
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Da sich die Wellennuten und die geradlinigen Nuten in der Form unterscheiden, gibt es einen großen Abstand zwischen der geradlinigen Nut und der Wellennut, die der geradlinigen Nut am nächsten ist. Falls ein solcher Abstand zu groß ist, kann das Reaktionsgas der Membran-Elektrodenbaugruppe nicht ausreichend zugeführt werden und die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle kann verschlechtert sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine Verschlechterung einer Stromerzeugungsleistung unterbindet.
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Das obige Ziel wird durch eine Brennstoffzelle erreicht, die eine Membran-Elektrodenbaugruppe und einen Separator hat, der auf einer Seite der Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet ist, wobei der Separator Strömungspfadnuten hat, durch welche Reaktionsgas zwischen dem Separator und der Membran-Elektrodenbaugruppe strömt, die Strömungspfadnuten Wellennuten, die sich in einer ersten Richtung wellenförmig erstrecken und in einer zweiten Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, und eine geradlinige Nut haben, die sich in der ersten Richtung geradlinig erstreckt, wobei die Wellennuten eine erste Wellennut, die von den Wellennuten am nächsten zu der geradlinigen Nut angeordnet ist, und eine zweite Wellennut haben, die bezüglich der ersten Wellennut auf der gegenüberliegenden Seite der geradlinigen Nut angeordnet ist, und wobei eine Amplitude der ersten Wellennut kleiner ist als die der zweiten Wellennut.
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Da die Amplitude der ersten Wellennut, die der geradlinigen Nut am nächsten ist, kleiner ist als die Amplitude der zweiten Wellennut, ist es möglich, eine Zunahme des Abstands zwischen der geradlinigen Nut und der ersten Wellennut zu unterbinden. Folglich kann verhindert werden, dass das Reaktionsgas einem Teil der Membran-Elektrodenbaugruppe nicht zugeführt wird, der einem Teil entspricht, wo der Abstand vergrößert ist, und die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle kann vermieden werden.
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Die Wellenlängen der ersten und zweiten Wellennuten können einander gleich sein.
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Die Phasen der ersten und zweiten Wellennuten können einander gleich sein.
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Die Wellenlängen von allen Wellennuten können einander gleich sein und Phasen von allen Wellennuten können einander gleich sein.
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Die geradlinige Nut kann in einer Schwerkraftrichtung unterhalb der Wellennuten angeordnet sein.
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Die Wellennuten können eine dritte Wellennut haben, die bezüglich der zweiten Wellennut auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Wellennut angeordnet ist, und eine Amplitude der zweiten Wellennut kann kleiner oder gleich der Amplitude der dritten Wellennut sein.
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Eine Amplitude der Wellennut kann kleiner sein als die der Wellennut, die näher an der geradlinigen Nut angeordnet ist.
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Der Separator kann ein Anodenseparator sein, der auf einer Anodenseite der Membran-Elektrodenbaugruppe angeordnet ist.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine Verschlechterung einer Stromerzeugungsleistung unterbindet.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elementarzelle von einer Brennstoffzelle;
- 2 ist eine Teilschnittansicht der Brennstoffzelle, in der die Elementarzellen gestapelt sind;
- 3A ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts von einem Separator in einer vorliegenden Ausführungsform darstellt, und 3B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts von einem Separator in einem Vergleichsbeispiel darstellt; und
- 4A ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts von einem Separator in einer ersten Variation darstellt, und
- 4B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts von einem Separator in einer zweiten Variation darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Elementarzelle 2 von einer Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 wird gebildet, indem Elementarzellen 2 gestapelt werden. 1 zeigt nur eine Elementarzelle 2 und lässt andere Elementarzellen weg. Die Elementarzelle 2 ist mit anderen Elementarzellen in der Z-Richtung gestapelt, die in 1 gezeigt ist. Die Elementarzelle 2 hat eine im Wesentlichen rechteckige Form. Die Längsrichtung bzw. die kurze Richtung der Elementarzelle 2 beziehen sich auf die Y-Richtung bzw. die X-Richtung, die in 1 gezeigt sind.
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Die Brennstoffzelle 1 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die elektrischen Strom mit einem Brennstoffgas (zum Beispiel Wasserstoff) und einem Oxidationsgas (zum Beispiel Sauerstoff) als Reaktionsgasen erzeugt. Die Elementarzelle 2 hat eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtbaugruppe (MEGA) 10, einen Stützrahmen 18, der die MEGA 10 abstützt, einen Kathodenseparator 20 und einen Anodenseparator 40 (nachfolgend als Separatoren bezeichnet), die die MEGA 10 zwischenordnen. Die MEGA 10 hat eine Kathodengasdiffusionsschicht 16c und eine Anodengasdiffusionsschicht 16a (nachfolgend als Diffusionsschichten bezeichnet). Der Stützrahmen 18 hat im Wesentlichen eine Rahmenform und dessen Innenumfangsseite ist mit einem Umfangsbereich der MEGA 10 verbunden.
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Löcher c1 bis c3 sind entlang einer von zwei kurzen Seiten des Separators 20 ausgebildet und Löcher c4 bis c6 sind entlang der anderen Seite ausgebildet. In ähnlicher Weise sind Löcher s1 bis s3 entlang einer Seite von zwei kurzen Seiten des Stützrahmens 18 ausgebildet und Löcher s4 bis s6 sind entlang der anderen Seite ausgebildet. In ähnlicher Weise sind Löcher a1 bis a3 entlang einer Seite von zwei kurzen Seiten des Separators 40 ausgebildet und Löcher a4 bis a6 sind entlang der anderen Seite ausgebildet. Die Löcher c1, s1 und a1 stehen miteinander in Verbindung, um ein Kathodeneinlassanschlussstück festzulegen. In ähnlicher Weise legen die Löcher c2, s2 und a2 ein Kühlmitteleinlassanschlussstück fest. Die Löcher c3, s3 und a3 legen ein Anodenauslassanschlussstück fest. Die Löcher c4, s4 und a4 legen ein Anodeneinlassanschlussstück fest. Die Löcher c5, s5 und a5 legen ein Kühlmittelauslassanschlussstück fest. Die Löcher c6, s6 und a6 legen ein Kathodenauslassanschlussstück fest. Bei der Brennstoffzelle 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird flüssiges Kühlwasser als Kühlmittel verwendet.
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Eine Fläche des Separators 40, die der MEGA 10 zugewandt ist, ist mit einem Anodenströmungspfadabschnitt 40A (nachfolgend als Strömungspfadabschnitt bezeichnet) ausgebildet, welcher das Anodeneinlassanschlussstück mit dem Anodenauslassanschlussstück verbindet und entlang welchem das Brennstoffgas strömt. Die Fläche des Separators 20, die der MEGA 10 zugewandt ist, ist mit einem Kathodenströmungspfadabschnitt 20A (nachfolgend als Strömungspfadabschnitt bezeichnet) ausgebildet, welcher das Kathodeneinlassanschlussstück mit dem Kathodenauslassanschlussstück verbindet und entlang welchem das Oxidationsgas strömt. Die Fläche des Separators 40 auf der gegenüberliegenden Seite des Strömungspfadabschnitts 40A bzw. die Fläche des Separators 20 auf der gegenüberliegenden Seite des Strömungspfadabschnitts 20A sind mit Kühlmittelströmungspfadabschnitten 40B bzw. 20B (nachfolgend als Strömungspfadabschnitte bezeichnet) ausgebildet, welche das Kühlmitteleinlassanschlussstück mit dem Kühlmittelauslassanschlussstück verbinden und entlang welchen das Kühlmittel strömt. Die Strömungspfadabschnitte 20A und 20B erstrecken sich in der Längsrichtung des Separators 20 (Y-Richtung). In ähnlicher Weise erstrecken sich die Strömungspfadabschnitte 40A und 40B in der Längsrichtung des Separators 40 (Y-Richtung). Jeder Strömungspfadabschnitt ist grundsätzlich in einem Bereich des Separators in der XY-Ebene vorgesehen, die der MEGA 10 zugewandt ist. Die Separatoren 20 und 40 sind aus einem Material hergestellt, das eine gassperrende Eigenschaft und eine elektrische Leitfähigkeit hat, und sind dünne plattenförmige Elemente, die durch Pressen von Edelstahl oder Metall wie etwa Titan oder einer Titanlegierung ausgebildet sind.
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2 ist eine Teilschnittansicht der Brennstoffzelle 1, in der die Elementarzellen 2 gestapelt sind. 2 zeigt nur eine Elementarzelle 2 und lässt die anderen Elementarzellen weg. 2 zeigt einen Querschnitt, der senkrecht zu der Y-Richtung ist.
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Die MEGA 10 hat die Diffusionsschichten 16a und 16c und eine Membran-Elektrodenbaugruppe (MEA) 11. Die MEA 11 hat eine Elektrolytmembran 12 und eine Anodenkatalysatorschicht 14a bzw. eine Kathodenkatalysatorschicht 14c (nachfolgend als Katalysatorschichten bezeichnet), die auf einer Oberfläche bzw. der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 12 ausgebildet sind. Die Elektrolytmembran 12 ist ein Dünnfilm aus einem festen Polymer, wie etwa eine Ionenaustauschmembran auf Fluorbasis mit einer guten Protonenleitfähigkeit in einem feuchten Zustand. Die Katalysatorschichten 14a und 14c sind gemacht, indem eine Katalysatordruckfarbe, die einen Kohlenstoffträger, der Platin (Pt) oder Ähnliches trägt, und ein Ionomer mit einer Protonenleitfähigkeit enthält, auf die Elektrolytmembran 12 aufgetragen werden. Die Diffusionsschichten 16a und 16c sind aus einem Material gemacht, das eine Gasdurchlässigkeit und - leitfähigkeit hat, wie beispielsweise einem porösen Faserbasismaterial wie etwa Carbonfaser oder Graphitfaser. Die Diffusionsschichten 16a bzw. 16c sind mit den Katalysatorschichten 14a bzw. 14c verbunden.
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Jeder der Strömungspfadabschnitte 20A, 20B, 40A und 40B hat, wenn sie in der Y-Richtung betrachtet werden, in einem Querschnitt eine Wellenform. Insbesondere sind bezüglich des Strömungspfadabschnitts 20A, eine Strömungspfadnut 21, die von der Diffusionsschicht 16c zurückgesetzt ist, und eine Rippe 23, die zu der Diffusionsschicht 16c vorsteht und sie berührt, abwechselnd in der X-Richtung angeordnet. Das Kathodengas, das entlang der Innenseiten der Strömungspfadnuten 21 strömt, wird über die Diffusionsschicht 16c der Katalysatorschicht 14c der MEA 11 zugeführt. Bezüglich des Strömungspfadabschnitts 20B sind ferner eine Rippe 22, die auf der gegenüberliegenden Seite der Diffusionsschicht 16c vorsteht und einen Anodenseparator einer anderen Elementarzelle (nicht dargestellt) berührt, der in der -Z-Richtung zu dem Separator 20 benachbart ist, und eine Strömungspfadnut 24, die von diesem Anodenseparator zurückgesetzt ist, abwechselnd in der X-Richtung angeordnet. Das Kühlmittel strömt entlang der Innenseiten der Strömungspfadnuten 24. Hierbei sind die Strömungspfadnuten 21 und die Rippen 22 auf den Vorder- und Rückflächen einstückig ausgebildet und die Rippen 23 und die Strömungspfadnuten 24 sind auf den Vorder- und Rückflächen einstückig ausgebildet. Die Strömungspfadnuten 21 und 24 sowie die Rippen 22 und 23 erstrecken sich in der Y-Richtung.
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Bezüglich des Strömungspfadabschnitts 40A sind in ähnlicher Weise eine Strömungspfadnut 41, die von der Diffusionsschicht 16a zurückgesetzt ist, und eine Rippe 43, die zu der Diffusionsschicht 16a vorsteht und sie berührt, abwechselnd in der X-Richtung angeordnet. Das Anodengas, das entlang der Innenseiten der Strömungspfadnuten 41 strömt, wird über die Diffusionsschicht 16a der Katalysatorschicht 14a der MEA 11 zugeführt. Bezüglich des Strömungspfadabschnitts 40B sind ferner eine Rippe 42, die auf der gegenüberliegenden Seite der Diffusionsschicht 16a vorsteht und einen Kathodenseparator einer anderen Elementarzelle (nicht dargestellt) berührt, der zu dem Separator 40 in der +Z-Richtung benachbart ist, und eine Strömungspfadnut 44, die von diesem Kathodenseparator zurückgesetzt ist, abwechselnd in der X-Richtung angeordnet. Das Kühlmittel strömt entlang der Innenseiten der Strömungspfadnuten 44. Hierbei sind die Strömungspfadnuten 41 und die Rippen 42 auf den Vorder- und Rückflächen einstückig ausgebildet und die Rippen 43 und die Strömungspfadnuten 44 sind auf den Vorder- und Rückflächen einstückig ausgebildet. Die Strömungspfadnuten 41 und 44 sowie die Rippen 42 und 43 erstrecken sich in der Y-Richtung.
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3A ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil des Strömungspfadabschnitts 40A des Separators 40 in einer vorliegenden Ausführungsform darstellt. 3A zeigt Nuten 411 bis 416, welche ein Teil der Strömungspfadnuten 41 sind, und Rippen 431 bis 435, welche ein Teil der Rippen 43 sind. Die Nuten 411 bis 416 und die Rippen 431 bis 435 sind in der X-Richtung angeordnet. Von den Nuten 411 bis 416 ist die Nut 411 in der -X-Richtung am weitesten von der Mitte entfernt angeordnet und die Nut 416 ist in der +X-Richtung am weitesten von der Mitte entfernt angeordnet. Die Rippen 431, 432, 433, 434 und 435 sind zwischen den Nuten 411 und 412, bzw. zwischen den Nuten 412 und 413, bzw. zwischen den Nuten 413 und 414, bzw. zwischen den Nuten 414 und 415 und zwischen den Nuten 415 und 416 angeordnet.
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Obwohl die Nut 411 eine geradlinige Form hat, hat jede der Nuten 412 bis 416 eine Wellenform. Zusätzlich ist in 1 der Strömungspfadabschnitt 40A vereinfacht durch gerade Linien dargestellt. Die Nuten 412 bis 416 sind Beispiele von Wellennuten, die sich in der Y-Richtung wellenförmig erstrecken und in der X-Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu der Y-Richtung ist. Die Nut 411 ist ein Beispiel einer geradlinigen Nut, die sich in der Y-Richtung geradlinig erstreckt. Jede der Rippen 432 bis 435 hat ebenfalls eine Wellenform und die Grenze zwischen der Rippe 431 und der Nut 412 hat ebenfalls eine Wellenform. Von den Nuten 412 bis 416 ist die Nut 412 am nächsten zu der Nut 411 angeordnet. Die Nut 412 ist ein Beispiel einer ersten Wellennut, die von den Nuten 412 bis 416 am nächsten an der Nut 411 angeordnet ist. Jede der Nuten 413 bis 416 ist ein Beispiel einer zweiten Wellennut, die bezüglich der Nut 412 auf der gegenüberliegenden Seite der Nut 411 angeordnet ist.
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In einem Fall, in dem die Nut 413 ein Beispiel der zweiten Wellennut ist, sind jegliche Nuten 414 bis 416 ein Beispiel einer dritten Wellennut, die bezüglich der Nut 413 auf der gegenüberliegenden Seite der Nut 412 angeordnet ist. In einem Fall, in dem die Nut 414 ein Beispiel der zweiten Wellennut ist, sind jegliche Nuten 415 und 416 ein Beispiel der dritten Wellennut, die bezüglich der Nut 414 auf der gegenüberliegenden Seite der Nut 412 angeordnet ist. In einem Fall, in dem die Nut 415 ein Beispiel der zweiten Wellennut ist, ist die Nut 416 ein Beispiel der dritten Wellennut, die bezüglich der Nut 415 auf der gegenüberliegenden Seite der Nut 412 angeordnet ist.
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Die Zwischenraumabstände zwischen den Nuten 411 bis 416 in der X-Richtung sind im Wesentlichen gleich. Die Nuten 412 bis 416 mit jeweils einer Wellenform haben im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge und die gleiche Phase, aber eine unterschiedliche Amplitude. Insbesondere sind die Nuten 412 bis 416 in einer Reihenfolge mit ansteigender Amplitude angeordnet. In anderen Worten ist die Amplitude der Nut kleiner sowie sie der geradlinigen Nut 412 näher ist. Wie in 3A dargestellt ist, ist beispielsweise die Amplitude A2 der Nut 412 geringer als die Amplitude A6 der Nut 416. Zudem ist die Form der Nut nicht beschränkt, die von der Nut 416 in der +X-Richtung entfernt angeordnet ist und in 3A nicht dargestellt ist.
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In Bezug auf 2 wird eine Beschreibung von einem der Hauptgründe abgegeben, warum zumindest die Nuten 412 bis 416 und die Rippen 431 bis 435 teilweise wellenförmig geformt sind. Beispielsweise ist in einem Fall, in dem alle Strömungspfadnuten 41 und Rippen 43 des Separators 40 und alle Strömungspfadnuten 21 und Rippen 23 des Separators 20 geradlinig sind, in einem Zustand, in dem die MEGA 10 dazwischen geordnet ist, die Rippe 23 des Separators 20 in der X-Richtung von der Rippe 43 des Separators 40 positionsmäßig verschoben, falls die relative Position zwischen den Separatoren 20 und 40 in der ebenen Richtung von der gewünschten Position verschoben wird. Da die MEGA 10 eine geringe Steifigkeit hat, kann die MEGA 10 verbogen werden, um lokal einer starken Belastung ausgesetzt zu sein, falls die Rippen 23 des Separators 20 von den Rippen 43 des Separators 40 in der X-Richtung über einen langen Bereich (beispielsweise 4 mm oder mehr) in der Y-Richtung positionsmäßig verschoben werden, sodass die Festigkeit der MEA 11 abnehmen kann. Demgegenüber wird in einem Fall, in dem die Strömungspfadnuten 21 und die Rippen 23 des Separators 20, die den Nuten 412 bis 416 und den Rippen 431 bis 435 zugewandt sind, die jeweils entlang der MEGA 10 eine Wellenform haben, wobei jede eine geradlinige Form oder eine Wellenform hat, die bezüglich Phase, Amplitude, Wellenlänge oder Ähnlichem unterschiedlich von der Wellenform der Nuten 412 bis 416 ist, die MEGA 10 daran gehindert, verbogen zu werden, indem die Rippen 23 des Separators 20 von den Rippen 43 des Separators 40 über einen in der Y-Richtung langen Bereich in der X-Richtung verschoben werden, auch wenn die relative Position zwischen den Separatoren 20 und 40 von der gewünschten Position verschoben wird, wie oben beschrieben ist. Dies verhindert die Festigkeitsabnahme der MEA 11. In der vorliegenden Ausführungsform haben die Strömungspfadnuten 21 und die Rippen 23 des Separators 20, die den Nuten 412 bis 416 und den Rippen 431 bis 435 entlang der MEGA 10 zugewandt sind, jeweils eine geradlinige Form, aber sie sind nicht darauf beschränkt.
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3B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts 40X eines Separators 40x in einem Vergleichsbeispiel darstellt. 3B bezieht sich auf 3A. Nuten 412x bis 416x und die Rippen 432x bis 435x des Separators 40x haben im Wesentlichen die gleiche Amplitude sowie die gleiche Wellenlänge und Phase. Wie in 3B gezeigt ist, ist insbesondere jede Amplitude der Nuten 412x bis 415x und der Rippen 432x bis 435x im Wesentlichen gleich der Amplitude A6x der Nut 416x. Hierbei unterscheidet sich der Abstand in der X-Richtung zwischen der Nut 411 mit einer geradlinigen Form und der Nut 412x mit einer Wellenform, die der Nut 411 am nächsten ist, in anderen Worten die Breite der Rippe 431x in der X-Richtung, in Abhängigkeit von einer Position in der Y-Richtung. Die Rippe 431x hat einen Teil W1x, an dem die Breite maximal ist. Daher ist an diesem Teil W1x die Kontaktfläche zwischen der Rippe 431x und der Diffusionsschicht 16a vergrößert. Somit kann das Anodengas, das in der Nut 411 und der Nut 412x strömt, einem Teil der MEA 11 nicht ausreichend zugeführt werden, der in der +Z-Richtung entfernt von dem Teil W1x positioniert ist. In dem Fall, in dem der Separator 40x in dem Vergleichsbeispiel verwendet wird, kann das Anodengas einem Teil der MEA 11 nicht ausreichend zugeführt werden, wie oben beschrieben ist, sodass die Stromerzeugungsleistung verschlechtert sein kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform, wie sie in 3A dargestellt ist, ist jedoch die Amplitude A2 der Nut 412, die der Nut 411 am nächsten ist, kleiner als jede Amplitude der Nuten 413 bis 416. Daher ist ein Teil W1, in dem die Breite der Rippe 431 zwischen den Nuten 411 und 412 in der X-Richtung am größten ist, kleiner als der Teil W1X, der oben beschrieben ist. Es ist daher möglich, zu unterbinden, dass das Anodengas einem Teil der MEA 11 teilweise nicht zugeführt wird, und die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung zu unterbinden. Dies verhindert ebenfalls die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung aufgrund der Alterung der Katalysatorschicht 14a, die durch Wasserstoffmangel verursacht wird.
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Die Nuten 412 bis 416 sind in einer Reihenfolge einer ansteigenden Amplitude und in einer Reihenfolge eines ansteigenden Abstands von der Nut 411 angeordnet. Dies verhindert eine Zunahme der Breite der Rippe 432 zwischen den Nuten 412 und 413 in der X-Richtung, die bzgl. der Amplitude geringfügig unterschiedlich sind. Das Gleiche gilt für jede der Rippen 433 bis 435. Wie oben beschrieben ist, wird die Zunahme der Breite von jeder der Rippen 432 bis 435 in der X-Richtung verhindert, wodurch das Anodengas der MEA 11 gleichmäßig zugeführt wird.
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Falls die Amplitudendifferenz zwischen den Nuten 411 und 412x groß ist, wie in dem Vergleichsbeispiel, kann auch der Unterschied im Druckverlust des Anodengases zwischen den Nuten 411 und 412x zunehmen, sodass das Anodengas einem Teil der MEA 11 nicht zugeführt werden kann. Da die Amplitude A2 der Nut 412 in der vorliegenden Ausführungsform kleiner ist als die Amplitude A2x der Nut 412x, wird die Vergrößerung des Unterschieds des Druckverlusts von dem Anodengas zwischen den Nuten 411 und 412 verhindert. Dies verhindert, dass das Anodengas einem Teil der MEA 11 nicht zugeführt wird, was die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung verhindert. Zusätzlich wird die Vergrößerung des Unterschieds des Druckverlusts von dem Anodengas zwischen den Nuten 412 und 413 verhindert. Dasselbe gilt für die Nuten 413 bis 416. Es ist somit möglich, das Anodengas der MEA 11 gleichmäßig zuzuführen.
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Wie oben beschrieben ist, ist ferner die Strömungspfadnut 44, durch welche das Kühlmittel strömt, auf der Rückseite der Rippe 43 ausgebildet. Somit sind die zwei Strömungspfadnuten 44 auf der Rückseite der Rippen 431 und 432 ausgebildet und im Wesentlichen in der gleichen Form wie die Rippen 431 und 432 ausgebildet. Es ist dadurch möglich, eine Vergrößerung des Unterschieds des Druckverlusts von dem Kühlmittel zwischen den Strömungspfadnuten 44 zu verhindern, die auf der Rückseite der Rippen 431 und 432 ausgebildet sind. Es ist somit möglich, zu verhindern, dass die MEA 11 aufgrund eines Abschnitts, in dem das Kühlmittel kaum strömt, teilweise nicht gekühlt wird und die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung zu unterbinden. Das Gleiche gilt für den Druckverlust des Kühlmittels zwischen den Strömungspfadnuten 44 auf der Rückseite der Rippen 433 bis 435. Entsprechend wird die MEA 11 gleichmäßig gekühlt.
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Bei dem Separator 40x in dem Vergleichsbeispiel kann sich ferner der Dehnungsanteil des Grundmaterials in der Pressbearbeitung in dem Bereich von der Nut 412x zu der Nut 416x erhöhen und die Streckgrenze kann sich verringern. Da sich die Amplitude in der vorliegenden Ausführungsform zwischen den Nuten 412 bis 416 allmählich ändert, ist es möglich, die Zunahme des Dehnungsanteils des Grundmaterials in dem Bereich von der Nut 412 zu der Nut 416 zu verhindern und die Abnahme der Streckgrenze zu verhindern.
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Ferner kann der Separator 40x in dem Vergleichsbeispiel aufgrund des Formunterschieds zwischen der Nut 411 und der Nut 412x, die ihr am nächsten ist, bei der Pressbearbeitung einer großen Eigenspannung ausgesetzt sein. Diese Eigenspannung kann Verzug in dem Separator 40x verursachen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Nuten 416 bis 412 in der Reihenfolge einer absteigenden Amplitude, in anderen Worten in einer Reihenfolge der Ähnlichkeit zu einer geradlinigen Form angeordnet. Es ist somit möglich, die Eigenspannung bei der Pressbearbeitung zu verringern und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Verzug in dem Separator 40 auftritt.
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Die Brennstoffzelle 1 wird in der vorliegenden Ausführungsform denkbarerweise in einer Stellung verwendet, in welcher die Nut 411 in der Schwerkraftrichtung unterhalb der Nuten 412 bis 416 angeordnet ist, sodass die -X-Richtung die abwärtszeigende Schwerkraftrichtung ist. Auch wenn in diesem Fall beispielsweise Wasser, das auf der Anodenseite erzeugt wird, in die Nut 411 strömt, wird das Verbleiben von Wasser in der Nut 411 verhindert, da die Nut 411 eine geradlinige Form hat, und das Anodengas, das in der Nut 411 strömt, gestattet, dass Wasser zu der abströmseitigen Seite strömt. Auf diese Weise ist die Drainage verbessert. Auch in dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 1 in einer Stellung verwendet wird, in welcher die X-Richtung in Bezug auf die Schwerkraftrichtung geneigt ist, wird das Verbleiben von Wasser in der Nut 411 verhindert und die Drainage ist sichergestellt, solange die Nut 411 in der Schwerkraftrichtung unterhalb der Nuten 412 bis 416 positioniert ist.
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Als nächstes werden Variationen beschrieben. Bei Variationen werden den gleichen Komponenten wie jenen in der oben beschriebenen Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen gegeben und eine doppelte Erläuterung wird weggelassen. 4A ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts 40Aa von einem Separator 40a in einer ersten Variation darstellt. Der Strömungspfadabschnitt 40Aa hat die Nut 411 mit einer geradlinigen Form und Nuten 412a bis 416a mit jeweils einer Wellenform. Die Nuten 412a bis 416a haben im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge und die gleiche Phase. Die Nuten 413a bis 416a haben im Wesentlichen die gleiche Amplitude, beispielsweise ist jede Amplitude der Nuten 413a bis 415a gleich der Amplitude A6a der Nut 416a, wie in 4A gezeigt ist. In einem Fall, in dem die Nut 413a ein Beispiel einer zweiten Wellennut ist, sind jegliche Nuten 414a bis 416a ein Beispiel der dritten Wellennut. Bei dieser Variation sind die Amplitude der zweiten Wellennut und die Amplitude der dritten Wellennut gleich. Demgegenüber ist eine Amplitude A2a der Nut 412a, welche ein Beispiel der ersten Wellennut ist, kleiner als jede Amplitude der Nuten 413a bis 416a. Auch in einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Zunahme der Breite in der X-Richtung der Rippe 431a zwischen den Nuten 411 und 412a zu unterbinden und zu verhindern, dass das Anodengas einem Teil der MEA 11 nicht zugeführt wird. Dies unterbindet die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung. Aufgrund der oben beschriebenen Formen der Nuten 412a bis 416a ändert sich die Breite der Rippe 432a in der X-Richtung in Abhängigkeit von einer Position in der Y-Richtung, aber jede Breite in der X-Richtung der Rippen 433a bis 435a ist in der Y-Richtung konstant.
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Zudem haben die Nuten 413a bis 416a im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge, die gleiche Phase, die gleiche Amplitude und die übliche Form. Bezüglich des Pressens ist hier im Allgemeinen die Form einer Metallplatte, die durch Pressformen ausgebildet ist, nicht immer gleich der Negativform der Pressform. Nachdem die Metallplatte durch die Pressform verformt ist, wird die Form der Metallplatte aufgrund der Elastizität der Metallplatte geringfügig zu ihrer ursprünglichen Form vor dem Pressformen zurückgebracht. Dies wird Zurückfedern genannt. Aus diesem Grund wird das Zurückfedern beim Gestalten der Pressformen in Betracht gezogen. In einem Fall, in dem Nutformen voneinander abweichen, kann es nötig sein, die Pressformen für die jeweiligen Nutformen zu gestalten, und es kann eine lange Zeit dauern, um die Pressformen zu gestalten. In der vorliegenden Ausführungsform haben die Nuten die gleiche Form. Es ist somit möglich, die lange Zeitdauer zu verhindern, die zum Gestalten der Pressformen nötig ist. In dem Fall des Ausbildens einer präzisen Form wie eines Separators für eine Brennstoffzelle, wird die Metallplatte mit verschiedenen Pressformen mehrere Male gepresst, sodass die Metallplatte allmählich gedehnt wird, um die fertige Produktform zu erreichen. In einem Fall, in dem die Wellenformen in der fertigen Produktform voneinander abweichen, ist die Gestaltung der Pressformen unterschiedlich, die beim Pressen verwendet werden, sodass die Zeitdauer weiter verlängert sein kann, die zum Gestalten der Pressformen nötig ist. Andererseits haben die Nuten 413a bis 416a in der vorliegenden Ausführungsform die übliche Form. Es ist somit möglich, die gleiche Form in den Pressformen zum Pressen auszubilden, und die Verlängerung der Zeitdauer zu unterbinden, die nötig ist, um die Pressformen zum Herstellen des Separators 40a zu gestalten.
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4B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil eines Strömungspfadabschnitts 40Ab eines Separator 40b in einer zweiten Variation darstellt. Die Amplitude einer Nut 413b, die zwischen den Nuten 412a und 414a angeordnet ist, ist im Wesentlichen gleich der Amplitude der Nut 412a. Daher ist die Breite in der X-Richtung einer Rippe 432b, die zwischen den Nuten 412a und 413b angeordnet ist, in der Y-Richtung im Wesentlichen konstant. Da es eine Amplitudendifferenz zwischen den Nuten 413b und 414a gibt, ist demgegenüber die Breite eines Teils W3b, welcher die maximale Breite der Rippe 433b hat, die zwischen den Nuten 413b und 414a angeordnet ist, größer als die Breite der Rippe 432b in der X-Richtung. Die Breite des Teils W3b ist im Wesentlichen gleich der Breite des Teils Wla, welcher die maximale Breite der Rippe 431a hat. Auf diese Weise sind die Teile Wla und W3b, wo die Breiten vergrößert sind, über die Nut 412a, die Rippe 432b und die Nut 413b in der X-Richtung weit voneinander entfernt. Im Vergleich zu einem Fall, in dem solche zwei Teile über eine Nut zueinander benachbart sind, ist es daher möglich, zu unterbinden, dass Teile benachbart zueinander sind, zu welchen das Anodengas relativ schwierig zugeführt werden kann, und das Anodengas der MEA 11 gleichmäßig zuzuführen.
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Die Strömungspfadnuten in der vorliegenden Ausführungsform und den Variationen, die oben beschrieben sind, können auf den Kathodenseparator angewendet werden.
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Obwohl die Separatoren 40, 40a und 40e in der wassergekühlten Brennstoffzelle 1 eingesetzt werden, die eine Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet, sind sie nicht darauf beschränkt und können in einer luftgekühlten Brennstoffzelle eingesetzt werden, die Luft als Kühlmittel verwendet.
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Die oben beschriebene Wellennut kann eine Sinuswellenform oder eine Wellenform mit einer geraden Linie und einem Bogen haben.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform und Variation haben die Wellennuten im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge und die gleiche Phase, sie sind aber nicht darauf beschränkt. In jedem Fall ist es möglich, die Zunahme des Abstands zwischen der geradlinigen Nut und der Wellennut zu unterbinden, die der geradlinigen Nut am nächsten ist, solange die Amplitude der Wellennut, die der geradlinigen Nut am nächsten ist, kleiner ist als die Amplitude der anderen Wellennut, die bezüglich der Wellennut auf der gegenüberliegenden Seite der geradlinigen Nut angeordnet ist. In der oben beschriebenen Ausführungsform und den Variationen sind die Wellennuten und die geradlinige Nut bei einem im Wesentlichen gleichen Zwischenraumabstand ausgebildet, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
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Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der beanspruchten vorliegenden Erfindung variiert oder verändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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