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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel, der dieselbe aufweist, insbesondere auf den Brennstoffzellenstapel, der so ausgelegt ist, dass er eine verbesserte Luftdichtigkeit und Haltbarkeit bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten gewährleistet.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Wie in der Fachwelt bekannt ist, ist eine Brennstoffzelle eine Art Stromgenerator, der chemische Energie des Brennstoffs in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel umwandelt. Brennstoffzellen haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter als industrielle Stromerzeuger, als Haushaltsstromerzeuger, als Fahrzeugantrieb und als Antrieb für kleine elektronische Geräte, wie z. B. mobile Geräte. In den letzten Jahren wurden Brennstoffzellen zunehmend als hocheffiziente, saubere Energiequellen eingesetzt.
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1 (STAND DER TECHNIK) ist eine Ansicht, die eine Anordnung eines typischen Brennstoffzellenstapels zeigt, 2 (STAND DER TECHNIK) ist eine Ansicht, die eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle zeigt, auf die eine Unterdichtung aufgebracht ist, und 3 (STAND DER TECHNIK) ist eine Ansicht, die eine Anordnung von Dichtungen in der Einheitszelle für die Brennstoffzelle zeigt, auf welche die Unterdichtung aufgebracht ist.
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Wie in 1 dargestellt, weist ein typischer Brennstoffzellenstapel eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) 10 auf, die sich im innersten Abschnitt davon befindet. Die MEA 10 weist eine Polymerelektrolytmembran (PEM) 11, die den Transport von positiv geladenen Ionen (Protonen) durch diese hindurch ermöglicht, und Katalysatorschichten (CLs), d.h. eine Anode 12 und eine Kathode 13, die auf gegenüberliegenden Oberflächen der PEM 11 aufgebracht sind, um Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion zu bringen, auf.
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Des Weiteren sind Gasdiffusionsschichten (GDLs) 20 außerhalb der MEA 10 laminiert, in der sich die Anode 12 und die Kathode 13 befinden, und die Separatoren 30a und 30b, die jeweils ein Strömungsfeld für die Zufuhr von Brennstoff und die Ableitung von Wasser aufweisen, das durch Reaktionen in der MEA 10 erzeugt wird, befinden sich jeweils außerhalb der GDLs 20, wobei zwischen ihnen Dichtungen 40 angeordnet sind. Die Endplatten 50 werden am äußersten Abschnitt der MEA 10 montiert, um die oben beschriebenen Einzelkomponenten statisch zu stützen und zu sichern.
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So findet an der Anode 12 des Brennstoffzellenstapels eine Oxidationsreaktion statt, bei der Wasserstoff oxidiert wird, um Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen zu erzeugen, und die erzeugten Protonen und Elektronen strömen durch das PEM 11 und jeweils einen Draht zu der Kathode 13. An der Kathode 13 wird durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den Protonen und den Elektronen, die aus der Anode 12 geflossen sind, und dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff Wasser erzeugt, und dieser Elektronenstrom erzeugt Strom.
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Ferner werden die Separatoren 30a und 30b im Allgemeinen so hergestellt, dass Stege, die als Träger dienen, und Kanäle, die als Strömungspfade eines Fluids dienen, abwechselnd wiederholt werden.
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Mit anderen Worten, ein typischer Separator hat eine Struktur, in der Stege und Kanäle (Strömungspfade) abwechselnd in einer Serpentinenanordnung wiederholt werden. Aus diesem Grund wird ein Kanal auf der einen Seite des Separators, der dem GDL 20 zugewandt ist, als Raum genutzt, durch den Reaktionsgase wie Wasserstoff oder Luft strömen, während ein Kanal auf der anderen Seite als Raum genutzt wird, durch den ein Kühlmittel strömt. Dementsprechend kann eine einzelne Einheitszelle aus einem Paar von Separatoren bestehen, nämlich einem Separator mit einem Wasserstoff/Kühlmittelkanal und dem anderen Separator mit einem Luft-/Kühlmittelkanal.
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Ferner weist die MEA 10, wie in 2 dargestellt, Unterdichtungen 14, die periphere Abschnitte der Anode 12 und der Kathode 13 umgeben, um die Handhabung der PEM 11, der Anode 12 und der Kathode 13 zu erleichtern und gleichzeitig die Luftdichtigkeit des Stapels zu verbessern, auf.
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Darüber hinaus sind mehrere Ein- und Auslasskrümmer an gegenüberliegenden Seiten der Unterdichtung 14 und gegenüberliegenden Seiten der Separatoren 30a bzw. 30b vorgesehen.
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Da die Reaktionsgase und das Kühlmittel zwischen der Unterdichtung 14 und dem Paar von Separatoren 30a und 30b strömen müssen, sind zwischen der Unterdichtung 14 und dem Paar von Separatoren 30a und 30b Spritzgussgummidichtungen 40a, 40b und 40c mit einer vorgegebenen Dicke angeordnet. Dementsprechend werden beim Übereinanderstapeln von Einheitszellen die Dichtungen komprimiert, wodurch die Luftdichtigkeit des Stapels gewährleistet wird und die Intervalle dazwischen eingehalten werden.
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Die Gummidichtungen 40a, 40b und 40c sind jedoch teuer in der Herstellung. Aus diesem Grund wurde ein Separator mit einer Wulstdichtung vorgeschlagen. Die Wulstdichtung steht integral aus der Oberfläche der Separatoren in einer Höhe hervor, die der Dicke der zwischen den Separatoren angeordneten Dichtungen 40a, 40b und 40c entspricht, und ein Dichtungsmittel ist in einer dünnen Schicht auf die Separatoren aufgebracht, wodurch die Luftdichtheit des Stapels gewährleistet wird.
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Im Falle der Bildung eines Brennstoffzellenstapels durch Übereinanderstapeln mehrerer Einheitszellen und anschließendes Komprimieren wird die Form der Wulstdichtungen jedoch durch einen Flächendruck verändert, der auf Abschnitte wirkt, in denen die Wulstdichtungen gebildet sind, was zu einer Verschlechterung der Luftdichtheit des Stapels führt.
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Das Vorstehende soll lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung beitragen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Geltungsbereich des Stands der Technik fällt, die Fachleuten bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend sieht die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit derselben vor, wobei der Brennstoffzellenstapel derart ausgestaltet ist, dass er eine verbesserte Luftdichtigkeit und Haltbarkeit bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten gewährleistet.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle vorgesehen, wobei die Separatoranordnung aufweist: einen ersten Separator mit einer vorstehenden Wulstdichtung, die eine Dichtung vorsieht; einen zweiten Separator, der mit dem ersten Separator verbunden ist, um damit integriert zu sein, und welcher eine gebogene Wölbung aufweist, die in die gleiche Richtung wie die Wulstdichtung an einer Stelle vorsteht, die einer Stelle entspricht, an der die Wulstdichtung ausgebildet ist; eine Dichtung, die auf einer konkaven Oberfläche der Wölbung des zweiten Separators an der Stelle, an der die Wölbung gebildet ist, vorgesehen ist, wobei die konkave Oberfläche einer konvexen Oberfläche der Wölbung gegenüberliegt; und ein Dichtungsmittel, das auf eine konvexe Oberfläche der Wölbung des ersten Separators an der Stelle, an der die Wölbung ausgebildet ist, aufgebracht ist.
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Die am zweiten Separator ausgebildete Wölbung kann in vorstehender Höhe niedriger sein als die am ersten Separator ausgebildete Wulstdichtung.
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Eine Höhe der am zweiten Separator ausgebildeten Wölbung kann gleich oder kleiner als die Summe der Dicken des ersten Separators und des zweiten Separators sein.
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Die Dichtung kann in der Breite größer sein als das Dichtungsmittel.
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Die Dichtung kann durch Einspritzen eines elastischen Gummimaterials gebildet sein, und das Dichtungsmittel kann durch Siebbeschichtung aufgebracht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der durch Stapeln mehrerer Einheitszellen gebildet ist, wobei der Brennstoffzellenstapel Folgendes aufweist: die mehreren Einheitszellen, die jeweils eine Membran-Elektrodenanordnung mit einer auf jeder Seite derselben vorgesehenen Unterdichtung aufweisen, ein Paar Gasdiffusionsschichten, einen Anoden-Separator, und einen Kathoden-Separator, wobei der Anoden-Separator und der Kathoden-Separator, die benachbarte Zellen ausbilden, einander zugewandt angeordnet und miteinander verbunden sind, um miteinander integriert zu werden, wobei der Anoden-Separator eine vorstehende Wulstdichtung aufweisen kann, die eine Dichtung vorsieht, und der Kathoden-Separator eine gebogene Wölbung aufweisen kann, die in die gleiche Richtung wie die Wulstdichtung an einer Stelle vorsteht, die einer Stelle entspricht, an der die Wulstdichtung ausgebildet ist.
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Eine Dichtung kann auf einer konkaven Oberfläche der Wölbung des Kathoden-Separators an der Stelle, an der die Wölbung ausgebildet ist, vorgesehen sein, wobei die konkave Oberfläche einer konvexen Oberfläche der Wölbung gegenüberliegt, und wobei ein Dichtungsmittel auf eine konvexe Oberfläche der Wulstdichtung des Anoden-Separators an der Stelle, an der die Wulstdichtung ausgebildet ist, aufgebracht werden kann.
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Die am Anoden-Separator ausgebildete Wulstdichtung kann in Richtung der an der Wulstdichtung anliegenden Unterdichtung vorstehen und durch das Dichtungsmittel in engem Kontakt mit der Unterdichtung abgedichtet sein; in einem Bereich, in dem Wasserstoff strömt, können der Anoden-Separator und der Kathoden-Separator durch Übergänge an Stellen an gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung miteinander verbunden sein; und die Wulstdichtung kann ein Paar Durchgangslöcher aufweisen, durch welche die gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung miteinander in Verbindung stehen und Wasserstoff zwischen dem Anoden-Separator und der Unterdichtung strömen lassen.
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Die an dem Kathoden-Separator ausgebildete Wölbung kann in eine Richtung entgegengesetzt zu der an die Wölbung angrenzenden Unterdichtung vorstehen und durch die Dichtung abgedichtet werden, die in engem Kontakt mit der Unterdichtung steht; in einem Bereich, in dem Luft strömt, können der Kathoden-Separator und der Anoden-Separator an einer Stelle außerhalb der Wölbung um eine stromaufwärts gerichtete Seite eines Luftströmungspfades in Bezug auf eine Richtung, in der Luft strömt, voneinander beabstandet sein, während der Kathoden-Separator und der Anoden-Separator durch eine Verbindung an einer Stelle außerhalb der Wölbung um eine stromabwärts gerichtete Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Richtung, in der Luft strömt, miteinander verbunden sein können; und der Kathoden-Separator kann an der Stelle außerhalb der Wölbung an der stromabwärts gelegenen Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Richtung, in der Luft strömt, durchbohrt sein, wodurch ein Durchgangsloch gebildet ist, das durch die erste und zweite Oberfläche des Kathoden-Separators verläuft und es ermöglicht, dass Luft, die zwischen dem Kathoden-Separator und dem Anoden-Separator strömt, zwischen dem Kathoden-Separator und der Unterdichtung strömt.
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Die am Kathoden-Separator ausgebildete Wölbung kann in eine Richtung entgegengesetzt zu der an die Wölbung angrenzenden Unterdichtung vorstehen und durch die Dichtung, die in engem Kontakt mit der Unterdichtung steht, abgedichtet sein, und in einem Bereich, in dem Luft strömt, kann die Dichtung eine Stufe aufweisen, so dass gegenüberliegende Seiten der Dichtung durch die Stufe miteinander verbunden sind, so dass Luft zwischen dem Kathoden-Separator und der Unterdichtung strömen kann.
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Der Anoden-Separator kann durch das Dichtungsmittel in engem Kontakt mit der Unterdichtung abgedichtet sein, während der Kathoden-Separator durch die Dichtung in engem Kontakt mit der Unterdichtung abgedichtet werden kann, und in einem Bereich, in dem ein Kühlmittel strömt, können der Anoden-Separator und der Kathoden-Separator an Stellen auf gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung, die in dem Bereich gebildet ist, in dem das Kühlmittel zwischen dem Anoden-Separator und dem Kathoden-Separator strömt, voneinander beabstandet sein, so dass das Kühlmittel zwischen dem Anoden-Separator und dem Kathoden-Separator strömen kann.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird beim Zusammenfügen eines Paares von Separatoren, um miteinander integriert zu sein, die Wulstdichtung auf einen Separator aufgebracht, während die gebogene Wölbung und die Gummidichtung auf den anderen Separator aufgebracht werden, wodurch es möglich ist, den Stapel in Luftdichtheit und Haltbarkeit zu verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken.
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Figurenliste
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Die oben genannten und andere Ziele, Merkmale und sonstigen Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung klarer ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden, in denen:
- 1 (STAND DER TECHNIK) eine Ansicht ist, die eine Anordnung eines typischen Brennstoffzellenstapels zeigt;
- 2 (STAND DER TECHNIK) eine Ansicht ist, die eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle darstellt, auf die eine Unterdichtung aufgebracht ist;
- 3 (STAND DER TECHNIK) eine Ansicht ist, die eine Anordnung von Dichtungen in der Einheitszelle für die Brennstoffzelle zeigt, auf welche die Unterdichtung aufgebracht ist;
- 4 und 5 Ansichten sind, die einen Hauptteil einer Separatoranordnung für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen;
- 6 eine Ansicht ist, die einen Bereich darstellt, in dem Wasserstoff in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt;
- 7 und 8 Ansichten sind, die einen Bereich zeigen, in dem Luft in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt;
- 9 eine Ansicht ist, die einen Bereich darstellt, in dem ein Kühlmittel in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt; und
- 10 eine Ansicht ist, die einen Oberflächendruck zeigt, der auf die Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wirkt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es versteht sich, dass der hierin verwendete Begriff „Fahrzeug“ oder „Gefährt“ oder ein anderer ähnlicher Begriff Kraftfahrzeuge im Allgemeinen umfasst, wie Personenkraftwagen einschließlich Geländewagen (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und umfasst Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen (z.B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl stammen). Wie hierin erwähnt, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „eins“, „ein/eine/eines“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nichts anderes besagt. Es wird weiter verstanden, dass die Begriffe „weist auf“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Punkte. In der gesamten Spezifikation, sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben, wird das Wort „umfassen“ und Variationen wie „umfasst“ oder „umfassend“ so verstanden, dass sie die Einbeziehung der angegebenen Elemente, nicht aber den Ausschluss anderer Elemente bedeuten. Darüber hinaus bedeuten die in der Spezifikation beschriebenen Begriffe „Einheit“, „-er“, „-or“ und „Modul“ Einheiten zur Verarbeitung mindestens einer Funktion und Operation und können durch Hardwarekomponenten oder Softwarekomponenten und Kombinationen derselben implementiert werden.
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Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Offenbarung als nicht-flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgestaltet sein, das ausführbare Programmanweisungen enthält, die von einem Prozessor, einer Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele für computerlesbare Medien sind unter anderem ROM, RAM, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeicher. Das computerlesbare Medium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt werden, so dass das computerlesbare Medium gespeichert und verteilt ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
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Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden vorgestellt, um eine vollständige Offenbarung der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen und denen, die normalerweise mit der Technik vertraut sind, zu helfen, die Offenbarung besser zu verstehen. Verschiedene Änderungen an den folgenden Ausführungsformen sind möglich und der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf dieselben oder ähnliche Teile.
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Ein Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird vorgeschlagen, um eine Form und eine luftdichte Struktur eines Separators zu verbessern, während eine Stapelstruktur gemäß dem in den 1 und 2 dargestellten Stands der Technik beibehalten wird, wodurch die Luftdichtigkeit verbessert und gleichzeitig die Fluidität der Reaktionsgase und eines Kühlmittels sichergestellt wird. So besteht der Brennstoffzellenstapel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie in den 1 und 2 dargestellt, aus mehreren übereinander gestapelten Einheitszellen in Serie. Jede der Einheitszellen weist eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA) 10 mit einer auf jeder Seite derselben vorgesehenen Unterdichtung 14, einem Paar Gasdiffusionsschichten (GDLs) 20 sowie Anoden- und Kathoden-Separatoren 30a und 30b auf. Dementsprechend sind ein Anoden-Separator 30a, der eine Zelle bildet, und ein Kathoden-Separator 30b, der eine benachbarte Zelle bildet, einander gegenüber angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Anoden-Separator 30a und der Kathoden-Separator 30b einander zugewandt miteinander verbunden und bilden so eine Separatoranordnung.
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Die 4 und 5 sind Ansichten, die einen Hauptteil der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen. So zeigen beispielsweise die 4 und 5 die Form und die luftdichte Struktur des Separators, die in der vorliegenden Ausführungsform verbessert sind. Hierin sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Unterdichtung 14, ein Anoden-Separator 200 und ein Kathoden-Separator 100 in einem voneinander beabstandeten Zustand dargestellt.
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Wie in 5 dargestellt, wird die Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgeschlagen, um die Verformung der Separatoren aufgrund eines Flächendrucks zu minimieren und gleichzeitig die Luftdichtheit aufrechtzuerhalten, wenn Separatoranordnungen übereinander gestapelt und komprimiert werden, und zwar vorzugsweise aufweisend: einen ersten Separator 200 mit einer vorstehenden Wulstdichtung 210, die eine Dichtung vorsieht; einen zweiten Separator 100, der mit dem ersten Separator 200 verbunden ist, um damit integriert zu werden, und mit einer gebogenen Wölbung 110, die in die gleiche Richtung wie die Wulstdichtung 210 an einer Stelle hervorsteht, die einer Stelle entspricht, an welcher die Wulstdichtung 210 ausgebildet ist; eine Dichtung 300, die auf einer konkaven Oberfläche der Wölbung 110 des zweiten Separators 100 an der Stelle, an der die Wölbung 110 ausgebildet ist, vorgesehen ist, wobei die konkave Oberfläche einer konvexen Oberfläche der Wölbung 110 gegenüberliegt; und ein Dichtungsmittel 400, das auf eine konvexe Oberfläche der Wulstdichtung 210 des ersten Separators 200 an der Stelle, an der die Wulstdichtung 210 ausgebildet ist, aufgebracht ist. Im Folgenden wird der erste Separator 200 als Anoden-Separator und der zweite Separator 100 als Kathoden-Separator bezeichnet.
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Ferner ist es zu bevorzugen, dass die Dichtung 300 durch Einspritzen eines elastischen Gummimaterials geformt ist und das Dichtungsmittel 400 durch Siebbeschichtung aufgebracht ist.
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Die Wölbung 110, die der Wulstdichtung 210 entspricht, die an dem Anoden-Seperator 200 vorgesehen ist, ist am Kathoden-Seperator 100 wie oben beschrieben vorgesehen. Dies soll verhindern, dass beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels, wenn ein Flächendruck auf einen Abschnitt wirkt, in dem die Wulstdichtung 210 ausgebildet ist, der Kathoden-Separator 10 in einen Raum verformt wird, der durch die Wulstdichtung 210 zwischen dem Kathoden-Separator 100 und den Anoden-Seperator 200 definiert ist, wodurch eine Verringerung der Kontaktkraft zwischen dem Kathoden-Separator 100 und dem Anoden-Seperator 200 und die Luftdichtheit des Stapels bewirkt werden.
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Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Ausführungsform die gebogene Wölbung 110 am Kathoden-Separator 100 so vorgeformt, dass selbst wenn der Flächendruck auf dem Abschnitt erzeugt wird, auf dem die Wulstdichtung 210 gebildet wird, eine gebogene Struktur verhindert wird, dass der Abschnitt eine Verformung erfährt.
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Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die Wölbung 110, die am Kathoden-Separator 100 ausgebildet ist, in vorstehender Höhe niedriger ist als die am Anoden-Separator 200 gebildete Wulstdichtung 210. Es ist bevorzugter, dass eine Höhe h der Wölbung 110 gleich oder kleiner als die Summe der Dicken des Anoden-Separators 200 und des Kathoden-Separators 100 ist. Weiterhin ist es vorzuziehen, dass eine Breite WG der Dichtung 300 größer ist als eine Breite WS des Dichtungsmittels 400, um den Flächendruck zu verteilen. Es ist bevorzugter, dass die Breite WG der Dichtung 300 größer ist als die Summe aus der Breite WS des Dichtungsmittels 400 und einer Stapeltoleranz. Wenn die Breite WS des Dichtungsmittels 400 größer ist als die Breite WG der Dichtung 300, wird die Breite der Wulstdichtung 210 entsprechend vergrößert. In diesem Fall ist die Wulstdichtung 210 nur wenig steif. Beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels kann sich die Wulstdichtung 210 daher verformen, was zu einer Verschlechterung der Luftdichtigkeit führt.
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In der Zwischenzeit ist es vorzuziehen, dass die oben vorgeschlagene luftdichte Struktur auf einen Bereich angewendet wird, der die MEA umgibt, die den Brennstoffzellenstapel bildet, und auf Bereiche, die mehrere Einlasskrümmer und mehrere Auslasskrümmer umgeben, wodurch die Luftdichtigkeit dieser Bereiche gewährleistet wird.
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Allerdings muss ein Strömungspfad für die Strömung von Reaktionsgasen wie Wasserstoff und Luft und dem Kühlmittel zwischen einer Reaktionsfläche, auf der sich die MEA befindet, den Einlasskrümmern und den Auslasskrümmern gesichert werden.
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Somit kann die Separatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung die Struktur einer beliebigen der Wulstdichtungen, der Wölbung und der Dichtung so verändern, dass in jedem Bereich, in dem Wasserstoff, Luft oder das Kühlmittel strömt, ein Strömungspfad ausgebildet ist.
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6 ist eine Ansicht, die einen Bereich darstellt, in dem Wasserstoff in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt, 7 und 8 sind Ansichten, die einen Bereich darstellen, in dem Luft in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt; 9 ist eine Ansicht, die einen Bereich darstellt, in dem ein Kühlmittel in der Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung strömt. 6 entspricht beispielsweise einer Querschnittsstruktur, die entlang der Linie A-A von 2 genommen wird, 7 und 8 entsprechen einer Querschnittsstruktur, die entlang der Linie C-C von 2 genommen wird, und 9 entspricht einer Querschnittsstruktur, die entlang der Linie B-B von 2 genommen wird.
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Zunächst steht die am Anoden-Separator 200 gebildete Wulstdichtung 210 im Bereich der Wasserstoffströmung, wie in 6 dargestellt, zur an die Wulstdichtung angrenzenden Unterdichtung 14 vor und wird durch das Dichtungsmittel 400 in engem Kontakt mit der Unterdichtung 14 abgedichtet. Dabei sind der Anoden-Separator 200 und der Kathoden-Separator 100 durch die Verbindungen W1 und W2 an Stellen auf gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung 210 miteinander verbunden.
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Weiterhin weist die Wulstdichtung 210 ein Paar von Verbindungslöchern 211 auf, durch die die gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung 210 miteinander in Verbindung stehen. Somit strömt Wasserstoff zwischen dem Anoden-Separator 200 und der Unterdichtung 14 durch das Paar der Verbindungslöcher 211, wodurch der Reaktionsoberfläche Wasserstoff zugeführt wird.
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Ferner steht in dem Bereich, in dem die Luft strömt, wie in 7 dargestellt, die am Kathoden-Separator 100 gebildete Wölbung 110 in eine Richtung entgegengesetzt zu der an der Wölbung angrenzenden Unterdichtung 14 hervor und wird durch die Dichtung 300 in engem Kontakt mit der Unterdichtung 14 abgedichtet. Dabei sind der Kathoden-Separator 100 und der Anoden-Separator 200 an einer Stelle außerhalb der Wölbung 110 um die stromaufwärts gerichtete Seite eines Luftströmungspfades in Bezug auf eine Richtung, in der Luft strömt, voneinander beabstandet, während der Kathoden-Separator 100 und der Anoden-Separator 200 durch die Verbindung W1 an einer Stelle außerhalb der Wölbung 110 um die stromabwärts gerichtete Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Richtung, in der Luft strömt, miteinander verbunden sind.
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Ferner ist der Kathoden-Separator 100 an der Stelle außerhalb der Wölbung 110 um die stromabwärts gelegene Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Richtung, in der die Luft strömt, gelocht, wodurch ein Durchgangsloch 111 gebildet ist, das durch die erste und zweite Oberfläche des Kathoden-Separators verläuft und es der zwischen dem Kathoden-Separator 100 und dem Anoden-Separator 200 strömenden Luft ermöglicht, zwischen dem Kathoden-Separator 100 und der Unterdichtung 14 zu strömen. Somit strömt Luft zwischen dem Kathoden-Separator 100 und dem Anoden-Separator 200 und durchströmt dann das Durchgangsloch 111 an der Stelle außerhalb der Wölbung 110 um die stromaufwärts gerichtete Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Strömungsrichtung der Luft. Danach strömt Luft zwischen dem Kathoden-Separator 100 und der Unterdichtung 14 an der Stelle außerhalb der Wölbung 110 um die stromabwärts gerichtete Seite des Luftströmungspfades in Bezug auf die Strömungsrichtung, wodurch der Reaktionsfläche Luft zugeführt wird.
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Unterdessen zeigt 8 eine weitere Ausführungsform des Luftstroms im Bereich der Luftströmung. Die am Kathoden-Separator 100 gebildete Wölbung 110 steht in der Richtung entgegengesetzt zu der an der Wölbung angrenzenden Unterdichtung 14 vor und wird von der Dichtung 300 in engem Kontakt mit der Unterdichtung 14 abgedichtet. Weiterhin sind der Anoden-Separator 200 und der Kathoden-Separator 100 durch die Verbindungen W1 und W2 an Stellen auf den gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung 210 miteinander verbunden.
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Dabei weist die zwischen dem Kathoden-Separator 100 und der Unterdichtung 14 vorgesehene Dichtung 300 einen Schritt 310 auf, so dass gegenüberliegende Seiten der Dichtung 300 über den Schritt 310 miteinander in Verbindung stehen. So kann zwischen dem Kathoden-Separator 100 und der Unterdichtung 14 Luft strömen, wodurch der Reaktionsfläche Luft zugeführt wird.
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In der Zwischenzeit wird der Anoden-Separator 200 in dem Bereich, in dem das Kühlmittel strömt, wie in 9 dargestellt, durch das Dichtungsmittel 400 in engem Kontakt mit der Unterdichtung 14 und der Kathoden-Separator 100 durch die Dichtung 300 in engem Kontakt mit der Unterdichtung 14 abgedichtet.
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Dabei sind der Anoden-Separator 200 und der Kathoden-Separator 100 an Stellen auf den gegenüberliegenden Seiten der Wulstdichtung 210, die im Bereich des Kühlmittelstroms ausgebildet ist, voneinander beabstandet. Somit kann das Kühlmittel zwischen dem Anoden-Separator 200 und dem Kathoden-Separator 100 strömen.
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Ferner ist 10 eine Ansicht, welche den Flächendruck zeigt, die auf die Separatoranordnung für die Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wirkt. Beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Separatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung wurde festgestellt, dass die Oberflächendruckverteilung A eine Tendenz zur Erhöhung des Flächendrucks in Richtung Mitte der Wulstdichtung 210 in Abhängigkeit von der Form der Wulstdichtung 210 aufweist. Um eine Verformung des Kathoden-Separators 100 durch den wie vorstehend beschriebenen Flächendruck zu verhindern, wird daher die am Kathoden-Separator 100 gebogene Wölbung 110 verwendet.
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Obwohl die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zur Veranschaulichung beschrieben wurden, werden die Fachleute es zu schätzen wissen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Umfang und Geist der Offenbarung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.
