DE102019109327A1

DE102019109327A1 - Verfahren zum Fördern eines Brennstoffzellenseparatormaterials

Info

Publication number: DE102019109327A1
Application number: DE102019109327.9A
Authority: DE
Inventors: Yusuke OBA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2019-10-24
Also published as: US20190326612A1; JP2019192372A; JP6996408B2; CN110391435B; US10826081B2; CN110391435A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Fördern eines Separators angegeben, das ein stabiles Fördern eines Separatormaterials gewährleistet, ohne eine Vertiefung oder dergleichen zu hinterlassen. Das Förderverfahren fördert ein Separatormaterial zur Verwendung in einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle. Ein Wasserstoffgas und Luft werden der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zugeführt. Das Separatormaterial hat, in einer Draufsicht auf das Separatormaterial, eine rechteckige Form, und das Separatormaterial weist zwei Seiten auf, auf denen in der Nähe eines Paares von Wasserstoffverteilungsöffnungen, durch die ein Wasserstoffgas strömt, ein Paar Durchgangsbohrungen gebildet sind. Das Förderverfahren beinhaltet: wenn das Separatormaterial gefördert wird, Einsetzen eines Förder- bzw. Transportstiftes in jede der auf dem Separatormaterial ausgebildeten Durchgangsbohrungen, und, in einem Zustand, in dem der Förder- bzw. Transportstift in jede der Durchgangsbohrungen eingesetzt ist, Fördern des Separatormaterials, während das Separatormaterial in eine Richtung gezogen wird, in der sich die Förderstifte gegenseitig trennen bzw. voneinander entfernen.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fördern eines Brennstoffzellenseparatormaterials.
Stand der Technik
Konventionell wird eine Brennstoffzelle durch das Stapeln einer Mehrzahl von Einzelzellen gebildet. Jede der Einzelzellen weist eine Struktur auf, in der eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen Separatoren angeordnet ist. Die Membran-Elektroden-Anordnung beinhaltet eine Festpolymerelektrolytmembran (im Folgenden als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) und eine anodenseitige Katalysatorschicht (Anodenelektrode) sowie eine kathodenseitige Katalysatorschicht (Kathodenelektrode), die mit beiden Oberflächen der Elektrolytmembran verbunden sind. Auf Oberflächen der anodenseitigen Katalysatorschicht und der kathodenseitigen Katalysatorschicht werden bei Bedarf Gasdiffusionsschichten gebildet. Ein Paar der Separatoren, zwischen denen die Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, liefert ein Wasserstoffgas und Luft an die Membran-Elektroden-Anordnung und beinhaltet eine Verteilungsöffnung und einen Strömungskanal, um das zugeführte Wasserstoffgas und die zugeführte Luft abzuführen.
Ein solcher Separator wird zu einem Separatormaterial geformt, beispielsweise aus einem dünnen Plattenmaterial aus Metall, bevor er auf einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle installiert wird. Beispielsweise wird das Separatormaterial durch eine Mehrzahl von Pressvorgängen geformt, während es sequentiell bzw. fortlaufend transportiert wird. Nachdem die geformten Separatormaterialien der Membran-Elektroden-Anordnung zugeführt wurden, wird die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen die geförderten Separatormaterialien eingefügt.
Als Verfahren zum Fördern eines solchen Separatormaterials wird beispielsweise in der JP 2015-118 810 A ein Verfahren zum Fördern des Separatormaterials vorgeschlagen. Bei dem Verfahren sind beide Seiten des Separatormaterials von einer Oberseite und einer Unterseite sandwichartig zwischen Greifelementen gehalten und das Separatormaterial wird mit den Greifelementen in die Richtung, in der sich die Greifelemente auf beiden Seiten trennen bzw. voneinander entfernen, gezogen.
KURZFASSUNG
Während das Separatormaterial jedoch bei dem in der JP 2015-118 810 A beschriebenen Förderverfahren gegriffen und gefördert wird, ist ein greifbarer Bereich des Separatormaterials aufgrund einer Struktur des Separatormaterials klein, so dass das Separatormaterial manchmal nicht stabil gehalten werden kann. Dadurch führt beispielsweise eine Vibration während der Förderung dazu, dass das Separatormaterial gegenüber den Greifelementen verrutscht, so dass die Möglichkeit besteht, dass das Separatormaterial fällt.
Um ein Verrutschen der Greifelemente gegenüber dem Separatormaterial zu vermeiden, ist es unter diesem Gesichtspunkt nur notwendig, eine Greifkraft der Greifelemente auf das Separatormaterial zu erhöhen. In diesem Fall kann das Separatormaterial von den Greifelementen eine Vertiefung erhalten.
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht eines solchen Aspekts gemacht, und die vorliegende Offenbarung schlägt ein Verfahren zum Fördern eines Separators vor, das eine stabile Förderung eines Separatormaterials gewährleistet, ohne eine Vertiefung oder dergleichen zu hinterlassen.
Angesichts des oben beschriebenen Problems ist ein Verfahren zur Herstellung eines Separatormaterials gemäß der Offenbarung ein Förderverfahren zum Fördern eines Separatormaterials zur Verwendung in einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle. Ein Wasserstoffgas und Luft werden der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zugeführt. Das Separatormaterial hat in einer Draufsicht auf das Separatormaterial eine rechteckige Form. Das Separatormaterial weist zwei Seiten auf, auf denen in der Nähe eines Paares von Wasserstoffverteilungsöffnungen, durch die ein Wasserstoffgas strömt, ein Paar Durchgangsbohrungen gebildet sind. Das Förderverfahren beinhaltet: wenn das Separatormaterial gefördert wird, Einsetzen eines Transport- bzw. Förderstiftes in jede der auf dem Separatormaterial ausgebildeten Durchgangsbohrungen, und, in einem Zustand, in dem der Förderstift in jede der Durchgangsbohrungen eingesetzt ist, Fördern des Separatormaterials, während das Separatormaterial in eine Richtung gezogen wird, in der sich die Förderstifte gegenseitig trennen bzw. voneinander entfernen.
Hierbei umfasst das „Separatormaterial“ der vorliegenden Offenbarung sowohl Fälle von einem Material vor dem Formen und in der Mitte des Formens in eine Form des Separators als auch ein Element nach dem Formen, bevor es nach dem Formen in einen Teil einer Zelle integriert wird. Wenn das „Separatormaterial“ das Material ist, wird demnach auch ein Material einbezogen, auf dem die Wasserstoffverteilungsöffnung nicht gebildet ist. In einem solchen Fall weist das Separatormaterial eine Durchgangsbohrung auf, die in der Nähe eines Teils gebildet ist, in dem die Wasserstoffverteilungsöffnung gebildet werden soll. Wenn das „Separatormaterial“ das Element nach dem Formen ist, beinhaltet das Separatormaterial die Wasserstoffverteilungsöffnung, und die Durchgangsbohrung ist in der Nähe der Wasserstoffverteilungsöffnung gebildet.
Mit der vorliegenden Offenbarung wird das Separatormaterial in dem Zustand, in dem der Transport- bzw. Förderstift in jede der auf beiden Seiten des Separatormaterials gebildeten Durchgangsbohrungen eingeführt ist, in die Richtung gezogen, in der sich die Förderstifte gegenseitig trennen bzw. voneinander entfernen, um das Separatormaterial zu fördern. Dadurch wird der Transport des Separatormaterials sichergestellt, während das Separatormaterial mit einem Paar von Förderstiften in einem stabilen Zustand gehalten wird. Da das Separatormaterial durch Einsetzen des Förderstiftes in die Durchgangsbohrung des Separatormaterials gefördert wird, ohne das Separatormaterial zwischen z.B. Greifelementen anzuordnen, erhält das Separatormaterial keine Vertiefung oder dergleichen.
Da die Wasserstoffverteilungsöffnung, durch die das Wasserstoffgas strömt, im Vergleich zu der Verteilungsöffnung, durch die Luft und dergleichen strömt, klein ist, weist ein Umfangsbereich der Wasserstoffverteilungsöffnung einen überschüssigen Raum für die Bildung der Durchgangsbohrung auf. Da das Separatormaterial unter Verwendung der in einem solchen überschüssigen Raum gebildeten Durchgangsbohrung gefördert wird, ist es gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht erforderlich, eine Größe des Separatormaterials derart zu vergrößern, dass diese größer ist als die eines herkömmlichen Separatormaterials.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Durchgangsbohrung ein Referenzloch für die Montage, wenn die Mehrzahl der Einzelzellen montiert wird. Da das Referenzloch für die Montage bei der Montage der Mehrzahl von Einzelzellen als Durchgangsbohrung für die Förderung verwendet werden kann, ist es bei diesem Aspekt nicht notwendig, eine zusätzliche Durchgangsbohrung für die Förderung vorzusehen, so dass sich die Produktivität des Separatormaterials nicht verschlechtert.
Die vorliegende Offenbarung stellt sicher, dass das Separatormaterial in einer stabilen Haltung transportiert wird, ohne eine Vertiefung oder dergleichen zu hinterlassen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, die ein Separatormaterial verwendet, das in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung transportiert wird;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Prozess der Bildung einer Brennstoffzelle durch Stapeln der in 1 dargestellten Einzelzelle veranschaulicht;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils, der Strömungskanäle veranschaulicht, durch die Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser für die in 2 dargestellte Brennstoffzelle strömen;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Formvorrichtung, die ein Separatormaterial formt, während das Separatormaterial gefördert wird;
5 ist eine schematische Draufsicht der in 4 dargestellten Formvorrichtung;
6 ist eine Vorderansicht der in 5 dargestellten Formvorrichtung;
7 ist eine Querschnittsansicht in Pfeilrichtung entlang der Linie A-A der in 5 dargestellten Formvorrichtung;
8 ist ein Flussdiagramm zur Beschreibung der Förderung und Formgebung des Separatormaterials in der in 5 dargestellten Formvorrichtung;
9 ist eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines Hebeschritts und eines Halteschritts, die in 8 dargestellt sind; und
10 ist eine perspektivische Hauptteilansicht zur Beschreibung des Hebeschritts und des Halteschritts, die in 9 dargestellt sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Formen, das ein Verfahren zum Fördern eines Brennstoffzellenseparatormaterials gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet, im Detail basierend auf der Zeichnung beschrieben.
Brennstoffzelle
Zunächst werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Brennstoffzelle und eine einzelne Zelle bzw. Einzelzelle beschrieben, die Separatormaterialien verwenden, die durch ein Förderverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gefördert werden. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, die ein Separatormaterial verwendet, das in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung transportiert wird. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Prozess zum Stapeln der in 1 dargestellten Einzelzellen zu einer Brennstoffzelle darstellt. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Hauptteils, der Strömungskanäle veranschaulicht, durch die Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser für die in 2 dargestellte Brennstoffzelle strömen.
In dieser Beschreibung zeigt ein „Separator“ einen Zustand an, bei welchem dieser in eine Einzelzelle eingebettet ist, wie in den 1 bis 3 dargestellt, und ein „Separatormaterial“ zeigt einen Zustand an, bevor es in eine Form eines Separators geformt wird, einen in der Mitte des Formens und einen Zustand nach dem Formen, bevor er in die Einzelzelle eingebettet wird, wie in den 4 bis 10 dargestellt.
In einer Brennstoffzelle 1 gemäß dieser Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Einzelzellen 10 gestapelt. Die Einzelzelle 10 ist eine Grundeinheit. Die Einzelzelle 10 ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem in einer Luft enthaltenen Sauerstoffgas und einem Wasserstoffgas als Brennstoffgas eine elektromotorische Kraft erzeugt. Die Luft bedeutet eine Atmosphäre. So wird beispielsweise die durch einen Kompressor komprimierte Luft der Brennstoffzelle 1 zugeführt und das in einen Hochdrucktank gefüllte Wasserstoffgas wird der Brennstoffzelle zugeführt.
Wie in den 1 bis 3 dargestellt ist, beinhaltet die Einzelzelle 10, die die Brennstoffzelle 1 bildet, eine Stromerzeugungsanordnung 17 und ein Paar Separatoren 12, 12, die die Stromerzeugungsanordnung 17 sandwichartig zwischen sich halten. Die Stromerzeugungsanordnung 17 beinhaltet eine Membran-Elektroden- und Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA) 11 und einen Harzrahmen 14, der einen Außenumfang der MEGA 11 umgibt.
Wie in 3 dargestellt ist, beinhaltet die MEGA 11 eine Polymerelektrolytmembran 11a, Katalysatorschichten 11b, 11c, die mit beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran 11a verbundenen sind, und Gasdiffusionsschichten 11d, 11d, 11d die mit den Katalysatorschichten 11b, 11c verbunden sind. Ein Teil, in dem die MEGA 11 angeordnet ist, ist ein Stromerzeugungsbereich der Einzelzelle 10.
Die Polymerelektrolytmembran 11a besteht aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran, die aus einem festen Polymermaterial gebildet ist. Die Katalysatorschichten 11b, 11c bestehen beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffmaterial, das einen Katalysator trägt, wie beispielsweise Platin. Die auf einer Seite der Polymerelektrolytmembran 11a angeordnete Katalysatorschicht 11b wird zu einer Anode der Brennstoffzelle 1 und die Katalysatorschicht 11c auf der anderen Seite zu einer Kathode der Brennstoffzelle 1. Die Gasdiffusionsschicht 11d besteht aus einem porösen Kohlenstoffkörper, wie beispielsweise einem Kohlepapier oder einem Kohlegewebe, oder einem leitenden Element mit Gasdurchlässigkeit, wie beispielsweise einem metallischen porösen Körper, wie einem Metallgitter oder einem porösen Metall.
Der Harzrahmen 14 weist auf beiden Seiten in Längsrichtung sechs Sammelrohröffnungen (Verteilungsöffnungen) auf, um das Wasserstoffgas, die Luft und das Kühlwasser individuell der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 zuzuführen und das zugeführte Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser aus der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 abzuführen.
Insbesondere beinhaltet eine Seite des Harzrahmens 14, in dieser Reihenfolge, eine Wasserstoffverteilungsöffnung 14a, durch die das Wasserstoffgas strömt, eine Kühlwasserverteilungsöffnung 14b, durch die das Kühlwasser strömt, und eine Luftverteilungsöffnung 14c, durch die die Luft strömt. Die andere Seite des Harzrahmens 14 beinhaltet, in dieser Reihenfolge, eine Luftverteilungsöffnung 14d, durch die die Luft strömt, eine Kühlwasserverteilungsöffnung 14e, durch die das Kühlwasser strömt, und eine Wasserstoffverteilungsöffnung 14f, durch die das Wasserstoffgas strömt.
Die Paare von Sammelrohröffnungen (Verteilungsöffnungen), durch die die jeweiligen Fluide strömen, weisen solche auf, die als Versorgungsverteilungsöffnungen für die MEGA 11 oder die Nähe der MEGA 11 dienen, und solche, die als Austragverteilungsöffnungen von der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 dienen. So dient beispielsweise die eine Wasserstoffverteilungsöffnung 14a als Zufuhrverteilungsöffnung für die MEGA 11 und die andere Wasserstoffverteilungsöffnung 14f dient als Austragverteilungsöffnung für die MEGA 11. Da die Wasserstoffverteilungsöffnung 14a und die Wasserstoffverteilungsöffnung 14f diagonal am Harzrahmen 14 vorgesehen sind, kann das Wasserstoffgas im Stromerzeugungsbereich diagonal verteilt werden.
Darüber hinaus weist der Harzrahmen 14 ein Paar Durchgangsbohrungen 16, 16 auf, die in der Nähe des Paares von Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f gebildet sind, durch die das Wasserstoffgas strömt. Insbesondere sind die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 an einer äußeren Umfangsseite in Bezug auf die Wasserstoffverteilungsöffnung 14a (14f) am Harzrahmen 14 ausgebildet.
Der Separator 12 hat in Draufsicht eine rechteckige Form und ist ein Element, das aus einem dünnen Plattenmaterial oder einem Folienmaterial aus Metall, wie beispielsweise Edelstahl, Titan oder einer Titanlegierungen, geformt ist. Der Separator 12 hat eine Dicke von z.B. 10 µm bis 200 µm. Das dünne Plattenmaterial oder das Folienmaterial als Material des Separators 12 wird beispielsweise durch Kaltwalzen gebildet. Der Separator 12 wird durch Pressen aus dem oben beschriebenen dünnen Plattenmaterial oder dem Folienmaterial in eine vorgegebene Form gebracht. Darüber hinaus kann dieses Pressformteil als Substrat des Separators 12 verwendet werden, und diese Oberfläche kann weiterhin beispielsweise einen Kohlenstofffilm beinhalten. Der Kohlenstofffilm kann gebildet werden, bevor der Separator 12 durch Pressen geformt wird, oder er kann gebildet werden, nachdem der Separator 12 durch Pressen geformt wurde.
Der Separator 12 ist in einer rechteckigen Form ausgebildet, die identisch zu der Form der MEGA 11 in Draufsicht ist, und weist zwei Seiten in Längsrichtung auf, auf denen ähnlich wie bei der MEGA 11 sechs Sammelrohröffnungen (Verteilungsöffnungen) ausgebildet sind. Ein Teil des Separators 12, der mit der MEGA 11 in Kontakt steht, weist eine Mehrzahl von Nuten 15 auf, die beispielsweise entlang der Längsrichtung ausgebildet sind. Dementsprechend werden, wie in 3 dargestellt ist, die Strömungskanäle, durch die das Brenngas, die Luft und der Kühlwasserstrom strömt, gebildet.
Insbesondere sind die Strömungskanäle, die zwischen der Gasdiffusionsschicht 11d auf der Seite der einen Katalysatorschicht 11b und dem Separator 12 definiert sind, Strömungskanäle 15a, durch die das Wasserstoffgas strömt. Die zwischen der Gasdiffusionsschicht 11d auf der Seite der anderen Katalysatorschicht 11c und dem Separator 12 definierten Strömungskanäle sind Strömungskanäle 15b, durch die die Luft strömt. Die zwischen den Separatoren 12 gebildeten Strömungskanäle sind Strömungskanäle 15c, durch die Kühlwasser strömt. Wenn in dieser Ausführungsform das Wasserstoffgas den Strömungskanälen 15a auf der einen Seite und die Luft den Strömungskanälen 15b auf der anderen Seite zugeführt wird, findet eine elektrochemische Reaktion in der Einzelzelle 10 statt, um die elektromotorische Kraft zu erzeugen.
Darüber hinaus beinhalten beide Seiten in Längsrichtung des Separators 12 die sechs Sammelrohröffnungen (Verteilungsöffnungen), um das Wasserstoffgas, die Luft und das Kühlwasser einzeln der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 zuzuführen und das zugeführte Wasserstoffgas, die Luft und das Kühlwasser aus der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 abzuführen. Diese Verteilungsöffnungen sind an Positionen entsprechend den Verteilungsöffnungen des Harzrahmens 14 gebildet und sind in den gleichen Größen wie die entsprechenden Verteilungsöffnungen ausgebildet. In 1 sind die Verteilungsöffnungen des Separators 12, die den Verteilungsöffnungen des Harzrahmens 14 entsprechen, mit Bezugszeichen versehen, die mit den Verteilungsöffnungen des Harzrahmens 14 identisch sind.
Insbesondere weist der Separator 12 eine Seite auf, auf der, in dieser Reihenfolge, die Wasserstoffverteilungsöffnung 14a, durch die das Wasserstoffgas strömt, die Kühlwasserverteilungsöffnung 14b, durch die das Kühlwasser strömt, und die Luftverteilungsöffnung 14c, durch die die Luft strömt, gebildet sind. Der Separator 12 weist die andere Seite auf, auf der, in dieser Reihenfolge, die von der Luft durchströmte Luftverteilungsöffnung 14d, die vom Kühlwasser durchströmte Kühlwasserverteilungsöffnung 14e und die vom Wasserstoffgas durchströmte Wasserstoffverteilungsöffnung 14f gebildet sind.
Die Sammelrohröffnungen (Verteilungsöffnungen), durch die die jeweiligen Fluide strömen, weisen solche auf, die als Versorgungsverteilungsöffnungen für die MEGA 11 oder die Nähe der MEGA 11 dienen, und solche, die als Austragverteilungsöffnungen von der MEGA 11 oder der Nähe der MEGA 11 dienen. So dient beispielsweise die eine Wasserstoffverteilungsöffnung 14a als Versorgungsverteilungsöffnung für die MEGA 11 und die andere Wasserstoffverteilungsöffnung 14f dient als Austragverteilungsöffnung für die MEGA 11. Da die Wasserstoffverteilungsöffnung 14a und die Wasserstoffverteilungsöffnung 14f diagonal am Separator 12 vorgesehen sind, kann das Wasserstoffgas in der MEGA 11 diagonal verteilt werden.
Darüber hinaus weist der Separator 12 das Paar Durchgangsbohrungen 16, 16 in der Nähe des Paares von Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f auf, durch die das Wasserstoffgas strömt. Insbesondere sind die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 an einer äußeren Umfangsseite in Bezug auf die Wasserstoffverteilungsöffnung 14a (14f) am Separator 12 ausgebildet.
Jede der Durchgangsbohrungen 16 des Separators 12 und jede der Durchgangsbohrungen 16 des Harzrahmens 14 dient als Referenzloch für die Herstellung der Einzelzelle 10. Das heißt, wie in 1 dargestellt ist, werden die MEGA 11 und der Harzrahmen 14 so zwischen dem Paar der Separatoren 12, 12 angeordnet, dass diese Durchgangsbohrungen 16, 16 übereinstimmen, um sicherzustellen, dass das Paar der Separatoren 12, 12 an einer genauen Position in Bezug auf die MEGA 11 und den Harzrahmen 14 angeordnet wird.
Wenn außerdem, wie in 2 dargestellt ist, eine Mehrzahl der Einzelzellen 10, 10, ... so zusammengesetzt (gestapelt) wird, dass sie gestapelt werden, dienen die Durchgangsbohrungen 16 als Referenzlöcher für die Montage der Einzelzellen 10. Das heißt, jede der Einzelzellen 10 ist so gestapelt, dass die auf jeder der Einzelzellen 10 gebildeten Durchgangsbohrungen 16 übereinstimmen (d.h., dass die auf jeder der Einzelzellen 10 gebildete Durchgangsbohrung 16 eine gemeinsame Durchgangsbohrung bilden). Dadurch wird sichergestellt, dass jede der Einzelzellen 10 positionsgenau gestapelt wird.
Formvorrichtung für Separatormaterial
In dieser Beschreibung wird der Zustand der Anordnung auf der Einzelzelle 10 als Separator 12 bezeichnet, und der Zustand davor (einschließlich des Elements vor dem Formen) wird als Separatormaterial 12A bis 12E bezeichnet. Im Folgenden wird eine Formvorrichtung 50 für die Separatormaterialien 12A bis 12E mit Bezug auf die 4 bis 7 beschrieben. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Formvorrichtung 50. 5 ist eine schematische Draufsicht der Formvorrichtung 50, die in 4 dargestellt ist. 6 ist eine Vorderansicht der Formvorrichtung 50, die in 5 dargestellt ist. 7 ist eine Querschnittsansicht in Pfeilrichtung entlang der Linie A-A der in 5 dargestellten Formvorrichtung 50.
Wie in 4 dargestellt ist, beinhaltet die Formvorrichtung 50 ein unteres Werkzeug bzw. Untergesenk 41 zum Einformen in die Separatormaterialien 12A bis 12E und ein oberes Werkzeug bzw. Obergesenk (nicht dargestellt). Das Pressformen (z.B. auch das Entgraten bzw. Beschneiden) erfolgt durch das Obergesenk, während die auf dem Untergesenk 41 befindlichen Separatormaterialien 12A bis 12E sequentiell bzw. fortlaufend gefördert werden und somit die Separatormaterialien 12A bis 12E geformt werden. Das Untergesenk 41 ist auf einer Basis 51 befestigt und weist zusammen mit dem Obergesenk eine Form auf, die den Formen der Separatormaterialien 12A bis 12E entspricht, die später beschrieben werden.
Hier ist das in 4 und 5 dargestellte Separatormaterial 12A ein Separator, der an vier Ecken eines rechteckigen dünnen Plattenmaterials oder Folienmaterials beschnitten wurde. Das Separatormaterial 12B ist ein Separator, der durch Ausführen einer primären Pressenformung von mehreren Nuten 15' am Separatormaterial 12A nach dem Beschneiden gebildet wird. Das Separatormaterial 12C ist ein Separator, auf dem die Nuten 15 durch weiteres Durchführen einer sekundären Pressenformung am Separatormaterial 12B nach dem primären Pressenformen geformt werden.
Das Separatormaterial 12D ist ein Separator, der durch Beschneiden eines Teils (nicht dargestellt) eines Außenumfangs des Separatormaterials 12C am Separatormaterial 12C nach dem sekundären Pressenformen und ferner durch Stanzen der Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e gebildet wird. Darüber hinaus ist das Separatormaterial 12E ein Separator, der durch Beschneiden eines Teils (nicht dargestellt) eines Außenumfangs des Separatormaterials 12D am Separatormaterial 12D, nachdem die Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e geformt sind, und ferner durch Stanzen der Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f und der Luftverteilungsöffnungen 14c, 14d gebildet wird.
Das vorstehend beschriebene Formen in Bezug auf die Separatormaterialien 12A bis 12E wird erreicht, indem das Obergesenk (nicht dargestellt) in das Untergesenk 41 gedrückt wird, nachdem diese nacheinander an vorbestimmte Positionen des Untergesenks 41 gefördert wurden. Im Folgenden werden Elemente zum Fördern der Separatormaterialien 12A bis 12E in der Formvorrichtung 50 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform beinhaltet die Formvorrichtung 50 ein Paar Vorschubstangen 31, 31 auf beiden Seiten des Untergesenks 41. Jede der Vorschubstangen 31 beinhaltet fünf Halter 32, 32, .... Die Halter 32 sind Abschnitte zum Halten der jeweiligen Separatormaterialien 12A, 12B, ... die gefördert werden sollen. Die Halter 32 haben jeweils ein distales Ende, an dem ein Transport bzw. Förderstift 33 angeordnet ist.
Der Förderstift 33 hat eine Größe, die in die auf den jeweiligen Separatormaterialien 12A, 12B, ... gebildeten Durchgangsbohrungen 16 eingesetzt werden kann. Insbesondere beinhaltet der Förderstift 33, wie in 10 dargestellt ist, einen zylindrischen Abschnitt 33a und einen konischen Abschnitt 33b. Der zylindrische Abschnitt 33a hat einen kleineren Durchmesser als die Durchgangsbohrungen 16, die auf den Separatormaterialien 12A, 12B, ... gebildet sind. Der konische Abschnitt 33b ragt von dem zylindrischen Abschnitt 33a hervor. Der Förderstift 33 wird von einer distalen Endseite des konischen Abschnitts 33b in die Durchgangsbohrung 16 eingesetzt.
Darüber hinaus ist, wie in 4 dargestellt ist, unter jeder der Vorschubstangen 31 eine erste Bewegungsvorrichtung 52 angeordnet, die das Paar der Vorschubstangen 31, 31 zusammen- oder auseinanderführt. Insbesondere beinhaltet die erste Bewegungsvorrichtung 52, wie in 7 dargestellt ist, eine Welle 52a, einen Motor 52b und bewegliche Teile 52c. Die Welle 52a hat Gewindenuten. Der Motor 52b dreht die Welle 52a. Die beweglichen Teile 52c sind über Kugeln mit der Welle 52a verschraubt und auf den Vorschubstangen 31 auf beiden Seiten der Welle 52a montiert. Ein solcher Mechanismus ist ein Mechanismus, der typischerweise als z.B. Kugelgewindetrieb bekannt ist. In dieser Ausführungsform ist die Gewindenut an einem Abschnitt der Welle 52a auf der einen Seite in Bezug auf den Motor 52b in der entgegengesetzten Richtung der Gewindenut an einem Abschnitt der Welle 52a auf der anderen Seite in Bezug auf den Motor 52b ausgebildet.
Dadurch wird die Welle 52a durch den Antrieb des Motors 52b in einer normalen Drehung (einer Vorwärtsdrehung) oder einer umgekehrten Drehung (einer Rückwärtsdrehung) gedreht und ein Paar der beweglichen Teile 52c, 52c, die mit der Welle 52a verschraubt sind, bewegt sich mit dem Paar der Vorschubstangen 31, 31 derart, dass sie sich annähern oder voneinander entfernen. Somit stellt das Steuern der Drehrichtung und der Drehzahl des Motors 52b sicher, dass das Paar von Vorschubstangen 31, 31 die Bewegungen zum Annähern a oder Trennen e bis zu vorbestimmten Positionen ausführt, wie in 4 dargestellt ist. Während der Kugelgewindetrieb in dieser Ausführungsform die Bewegungen zum Annähern a oder Trennen e des Paares von Vorschubstangen 31, 31 ausführt, können beispielsweise ein Kolben und ein Zylinder diese Bewegungen ausführen.
Wie in 4 und 6 dargestellt ist, ist unter jeder der Vorschubstangen 31 eine zweite Bewegungsvorrichtung 53 angeordnet, die das Paar Vorschubstangen 31, 31 aufwärts (nach oben) oder abwärts (nach unten) bewegt. In 6 ist ein Teil der ersten Bewegungsvorrichtung 52 weggelassen. Ein Mechanismus der zweiten Bewegungsvorrichtung 53 ist nicht besonders begrenzt, solange die Vorschubstangen 31 in Auf- und Abwärtsrichtung bewegt werden können. So können beispielsweise ein Nocken und ein Motor, der den Nocken dreht, oder ein Kolben und ein Zylinder verwendet werden. Dementsprechend können, wie in 4 dargestellt ist, Bewegungen zum Anheben b oder Absenken d des Paares von Vorschubstangen 31, 31 durchgeführt werden.
Darüber hinaus ist, wie in 4 dargestellt ist, unter jeder der Vorschubstangen 31 eine dritte Bewegungsvorrichtung 54 angeordnet, die das Paar von Vorschubstangen 31, 31 nach vorne oder hinten bewegt. Die dritte Bewegungsvorrichtung 54 ist ähnlich wie die erste Bewegungsvorrichtung 52 aus einem Kugelgewindetrieb (nicht dargestellt) und einem mit dem Kugelgewindetrieb gekoppelten Motor (nicht dargestellt) aufgebaut. Die normale Drehung und umgekehrte Drehung des Motors bewirkt, dass der Kugelgewindetrieb funktioniert. Dadurch wird sichergestellt, dass Bewegungen zum Vorschieben c oder Zurückziehen f des Paares von Vorschubstangen 31, 31 ausgeführt werden, wie in 4 dargestellt ist.
Verfahren zum Fördern und Formen von Separatormaterialien
Nachstehend wird ein Verfahren zum Fördern und Formen der Separatormaterialien 12A bis 12E unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 beschrieben. 8 ist ein Flussdiagramm zur Beschreibung der Förderung und Formgebung der Separatormaterialien 12A bis 12E in der in 5 dargestellten Formvorrichtung 50. 9 ist eine perspektivische Ansicht zur Beschreibung eines Hebeschritts und eines Halteschritts, die in 8 dargestellt sind. 10 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptteils. In 9 und 10 sind die Positionen der Verteilungsanschlüsse, Nutabschnitte und dergleichen, die anschließend auf dem Separatormaterial 12A geformt werden, mit gestrichelten Linien gekennzeichnet.
Hier wird das Separatormaterial 12A als ein Beispiel beschrieben. Zunächst wird ein Formschritt S1 durchgeführt. Im Formschritt S1 werden die vier Ecken des auf das Untergesenk 41 gelegten rechteckigen Folienmaterials beschnitten, um das Separatormaterial 12A zu bilden.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Annäherungsschritt S2 fort. Die erste Bewegungsvorrichtung 52 bewirkt, dass sich das Paar der Vorschubstangen 31, 31 nähert (siehe Annäherung a in 4). Dementsprechend werden, wie in 10 dargestellt ist, die Halter 32, 32 unter den Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f des Separatormaterials 12A angeordnet, und die Förderstifte 33, 33 werden unmittelbar unter den Durchgangsbohrungen 16, 16 angeordnet.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Hebeschritt S3 fort. Die zweite Bewegungsvorrichtung 53 bewegt das Paar Vorschubstangen 31, 31 nach oben (siehe Hebung b in 4). Dementsprechend werden, wie in 9 dargestellt ist, die Förderstifte 33 in die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 am Separatormaterial 12A eingesetzt, und das Separatormaterial 12A wird von einem Paar der Halter 32, 32 getragen.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Halteschritt S4 fort. In dem Zustand, bei dem die Förderstifte 33 in die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 eingesetzt sind, zieht die erste Bewegungsvorrichtung 52 das Separatormaterial 12A in die Richtung, in der sich die Förderstifte 33, 33 gegenseitig trennen bzw. voneinander weg bewegen. Dadurch kommen die zylindrischen Abschnitte 33a der Förderstifte 33, 33 mit den Umfangskanten der Durchgangsbohrungen 16 in Kontakt. Das Separatormaterial 12A wird durch eine Zugkraft F nach außen gezogen. Das Separatormaterial 12A wird mit den Förderstiften 33, 33 gehalten, die an beiden Seiten in das Separatormaterial 12A eingesetzt sind.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Transportschritt (Vorrückschritt) S5 fort. Die dritte Bewegungsvorrichtung 54 bewegt das Paar Vorschubstangen 31, 31 vorwärts (siehe Vorschub c in 4). Insbesondere fördert die dritte Bewegungsvorrichtung 54, während das Separatormaterial 12A in die Richtung gezogen wird, in der sich die Förderstifte 33, 33 voneinander entfernen, das Separatormaterial 12A zu einer Oberseite der nächsten Pressposition.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Platzierungsschritt (Absenkschritt) S6 fort. Die erste Bewegungsvorrichtung 52 löst das Ziehen des Separatormaterials 12A, und die zweite Bewegungsvorrichtung 53 bewegt das Paar Vorschubstangen 31, 31 nach unten (siehe Absenkung d in 4). Dadurch wird das Separatormaterial 12A in das Untergesenk 41 eingebracht und das Separatormaterial 12A wird an der nächsten Pressposition angeordnet, und die in die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 eingesetzten Förderstifte 33 treten aus den Durchgangsbohrungen 16 aus.
Während bei dieser Ausführungsform der Zug, der auf das Separatormaterial 12A wirkt, gelöst wird, bevor beispielsweise das Separatormaterial 12A nach unten bewegt wird, kann der Zug, der auf das Separatormaterial 12A wirkt, zu einem Zeitpunkt gelöst werden, wenn das Separatormaterial 12A in die nächste Pressposition des Untergesenks 41 gebracht wird.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Trennschritt S7 fort. Die erste Bewegungsvorrichtung 52 trennt das Paar Vorschubstangen 31, 31 (siehe Trennung e in 4). Dadurch werden die Halter 32, 32 unter den Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f des Separatormaterials 12A vom Separatormaterial 12A nach außen getrennt.
Anschließend fährt das Verfahren mit einem Zurückziehschritt S8 fort. Die dritte Bewegungsvorrichtung 54 bewirkt, dass sich das Paar Vorschubstangen 31, 31 zurückzieht (siehe Rückzug f in 4). Anschließend kehrt das Verfahren zum Formschritt S1 zurück. Das geförderte Separatormaterial 12A wird in eine Form des Separatormaterials 12B geformt, und darüber hinaus wird eine Abfolge der Schritte durchgeführt. Eine solche Abfolge von Schritten wird nacheinander bei den Separatormaterialien 12A bis 12D wiederholt. Das zuletzt geformte Separatormaterial 12E wird dem nächsten Prozess zugeführt, um nach Abschluss der Abfolge von Schritten in die Einzelzelle 10 integriert zu werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das Separatormaterial 12E in einem Zustand, in dem Förderstifte einer anderen Vorrichtung in die jeweiligen auf dem Separatormaterial 12E gebildeten Durchgangsbohrungen 16 eingesetzt sind, gefördert werden, während das Separatormaterial 12E in die Richtung gezogen wird, in der sich die Förderstifte voneinander weg bewegen.
In dieser Ausführungsform werden also in dem Zustand, in dem die Förderstifte 33 in die jeweiligen Durchgangsbohrungen 16 eingesetzt sind, die auf beiden Seiten jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E gebildet sind, die Separatormaterialien 12A bis 12E in die Richtung gezogen, in der sich die Förderstifte 33 „gegenseitig trennen“, um die Separatormaterialien 12A bis 12E zu fördern. Dadurch wird sichergestellt, dass jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E gefördert wird, während jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E mit einem Paar Förderstifte 33, 33 in einem stabilen Zustand gehalten wird. Da jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E durch Einsetzen der Förderstifte 33 in die Durchgangsbohrungen 16 der jeweiligen Separatormaterialien 12A bis 12E gefördert wird, ohne jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E zwischen beispielsweise den Greifelementen anzuordnen, erhält jedes der Separatormaterialien 12A bis 12E keine Vertiefung oder dergleichen.
Darüber hinaus sind die Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f, durch die das Wasserstoffgas strömt, im Vergleich zu den Luftverteilungsöffnungen 14c, 14d, durch die die Luft und dergleichen strömt, und die Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e, durch die das Kühlwasser strömt, klein. Der Grund, warum die Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f im Vergleich zu den Luftverteilungsöffnungen 14c, 14d klein sind, liegt darin, dass für die Luft eine Atmosphäre (Luft) und für das Wasserstoffgas ein in einem Hochdrucktank gefülltes Wasserstoffgas verwendet wird, und daher kann ein Gasdurchsatz des zur Stromerzeugung benötigten Wasserstoffgases in Bezug auf die Atmosphäre geringer sein. Der Grund, warum die Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f im Vergleich zu den Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e klein sind (d.h. die Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e im Vergleich zu den Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f groß sind), liegt darin, dass die Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e die wärmeerzeugende Brennstoffzelle 1 effektiver kühlen.
Dementsprechend weisen periphere Bereiche der Wasserstoffverteilungsöffnungen 14a, 14f mehr überschüssige Räume auf als die Luftverteilungsöffnungen 14c, 14d und die Kühlwasserverteilungsöffnungen 14b, 14e. Die überschüssigen Räume dienen zum Bilden der Durchgangsbohrungen 16. In dieser Ausführungsform werden diese überschüssigen Räume zur Bildung der Durchgangsbohrungen 16 verwendet, so dass die Größe der Separatormaterialien 12A bis 12E nicht größer als bisher sein muss.
Darüber hinaus sind die Durchgangsbohrungen 16, wie vorstehend beschrieben, Referenzlöcher für die Montage, wenn die Mehrzahl der Einzelzellen 10 montiert wird. Dementsprechend können die Referenzlöcher für die Montage bei der Montage der Mehrzahl von Einzelzellen 10 als Durchgangsbohrungen 16 für den Transport verwendet werden. Daher ist es nicht notwendig, zusätzliche Durchgangsbohrungen für die Förderung vorzusehen, so dass sich die Produktivität der Separatormaterialien 12A bis 12E nicht verschlechtert.
Obwohl vorstehend Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedenen Arten und Weise verändert werden, ohne von der Idee und dem Umfang der in den Ansprüchen beschriebenen Offenbarung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
10: Einzelzelle
12A bis 12E: Separatormaterial
16: Durchgangsbohrung
33: Förderstift

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015118810 A [0004, 0005]

Claims

Verfahren zum Fördern eines Brennstoffzellenseparatormaterials zur Verwendung in einer Einzelzelle einer Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzelle ein Wasserstoffgas und Luft zur Stromerzeugung zugeführt werden, wobei das Separatormaterial in einer Draufsicht auf das Separatormaterial eine rechteckige Form aufweist und das Separatormaterial zwei Seiten aufweist, auf denen in der Nähe eines Paares von Wasserstoffverteilungsöffnungen, durch die ein Wasserstoffgas strömt, ein Paar Durchgangsbohrungen gebildet sind, und wobei das Förderverfahren aufweist: wenn das Separatormaterial gefördert wird, Einsetzen eines Förderstiftes in jede der auf dem Separatormaterial ausgebildeten Durchgangsbohrungen, und, in einem Zustand, in dem der Förderstift in jede der Durchgangsbohrungen eingesetzt ist, Fördern des Separatormaterials, während das Separatormaterial in eine Richtung gezogen wird, in der sich die Förderstifte gegenseitig trennen.
Verfahren zum Fördern des Brennstoffzellenseparatormaterials nach Anspruch 1, wobei die Durchgangsbohrung ein Referenzloch für die Montage ist, wenn eine Mehrzahl von Einzelzellen montiert wird.