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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine Art von Stromerzeugungsvorrichtung zur Umwandlung der im Brennstoff enthaltenen chemischen Energie in elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion in einem Brennstoffzellenstapel und kann nicht nur Antriebsenergie für industrielle Anwendungen, Haushalte und Fahrzeuge erzeugen, sondern kann auch zur Stromversorgung eines kompakten elektronischen Produkts wie z.B. einer tragbaren Vorrichtung verwendet werden. In den letzten Jahren wurde der Anwendungsbereich sukzessive zu einer hocheffizienten sauberen Energiequelle weiterentwickelt.
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Eine Einheitszelle einer typischen Brennstoffzelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf, die an der innersten Seite positioniert ist, und die Membran-Elektroden-Anordnung besteht aus einer Polymerelektrolytmembran, die in der Lage ist, ein Wasserstoffproton zu transportieren, und aus einer Katalysatorschicht, die an beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran aufgebracht ist, so dass Wasserstoff und Sauerstoff reagieren können, d.h. aus einer Kathode und einer Anode.
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Ferner ist ein Paar Separatoren zum Zuführen des Reaktionsgases und zum Abführen des durch die Reaktion erzeugten Wassers an einer Oberfläche und einer anderen Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet, d.h. an dem äußeren Abschnitt, wo die Kathode und die Anode positioniert sind. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Gasdiffusionsschicht (GDL) zum Diffundieren oder zur Glättung der Strömung des Reaktionsgases und des erzeugten Wassers zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Separator angeordnet sein.
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Unterdessen wurde üblicherweise auch eine Membran-Elektroden-Dichtungsanordnung (MEGA), welche eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Dichtung integriert, hergestellt und verwendet, um die Luftdichtheit der Einheitszelle und die Benutzerfreundlichkeit im Laminierprozess zu gewährleisten.
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Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren ein integrierter Rahmen, der einen Einsatz, der eine Gasdiffusionsschicht an eine Membran-Elektroden-Anordnung verbindet, und eine Dichtung integriert, ebenfalls vorgeschlagen.
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Der herkömmliche integrierte Rahmen hat jedoch den Rahmen und den Einsatz aus einem Kunststoffmaterial unter Verwendung eines Klebstoffs verbunden. Wenn ferner die Einheitszelle unter Verwendung des herkömmlichen integrierten Rahmens hergestellt wird, sind für die Verklebung des Separators und des integrierten Rahmens ein Klebe- und ein Dichtungselement separat erforderlich. Dieses Verfahren hat die Materialkosten und die Herstellungskosten erhöht.
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Daher wurde in den letzten Jahren eine Studie über einen elastomeren Zellenrahmen für eine Brennstoffzelle und eine Einheitszelle, die diesen verwendet, durchgeführt, welche eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Gasdiffusionsschicht ohne ein separates Klebeelement unter Verwendung eines plattenförmigen Elastomerrahmens aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) integral verbinden.
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Der elastomere Zellenrahmen weist einen elastomeren Rahmen mit Elastizität und einen Separator aus einem laminierten Metallmaterial auf, und ein Einlass und ein Auslass, durch die das Reaktionsgas strömt, sind zwischen dem elastomeren Rahmen und dem Separator vorbereitet.
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In dem Fall jedoch, in dem eine Vielzahl von Einheitszellen laminiert werden, um einen Brennstoffzellenstapel auszubilden, werden die Einheitszellen laminiert, während sie dazwischen komprimiert werden, und zu diesem Zeitpunkt ist ein Problem dadurch aufgetreten, dass der Elastomerrahmen, der Elastizität in den Einlass- und Auslassbereichen, durch die das Reaktionsgas strömt, aufweist, durch den Separator aus dem Metallmaterial komprimiert wird, wodurch der Einlass und der Auslass verengt oder blockiert werden.
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Darüber hinaus ist auch ein Problem dadurch aufgetreten, dass der Elastomerrahmen in eine unerwünschte Form komprimiert wird, wodurch die Luftdichtheit zwischen dem Elastomerrahmen und dem Separator nicht sichergestellt werden kann.
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Das als Hintergrund erläuterte Vorstehende soll lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung dienen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Geltungsbereich des Stands der Technik fällt, der den Fachleuten auf diesem Gebiet bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle. Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle vor, welche die Luftdichtheit bei gleichzeitig stabiler Sicherung des Ein- und Auslasses des Reaktionsgases in einer Einheitszelle, in der ein Elastomerrahmen und ein Metallseparator laminiert sind, gewährleisten kann.
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Eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist, als die Einheitszelle für die Brennstoffzelle, einen Einsatz, der eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Paar von Elektrodenschichten, die an beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran ausgebildet sind, aufweist; und einen Elastomerrahmen auf, der in einer Plattenform ausgebildet und verbunden bzw. verklebt ist, während er an einem Rand des Einsatzes in einem äußeren Bereich des Einsatzes thermisch verbunden ist, und der eine Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung, in welcher der Einsatz angeordnet ist, darin ausgebildet aufweist, und der eine Vielzahl von Rahmenverteiler-Durchgangsöffnungen, durch die das Reaktionsgas strömt oder ausgestoßen wird, an beiden Seiten der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung ausgebildet aufweist. Die Einheitszelle für die Brennstoffzelle weist ferner ein Paar von Separatoren auf, die an einer Oberfläche und einer anderen Oberfläche des Einsatzes und des Elastomerrahmens angeordnet sind, um das Reaktionsgas zuzuführen, und mindestens eine Oberfläche der einen Oberfläche und der anderen Oberfläche des Elastomerrahmens ist in einer Vielzahl mit einer Vielzahl von Strömungspfadteilen ausgebildet, durch die das Reaktionsgas zwischen mindestens einer der Rahmenverteiler-Durchgangsöffnungen und der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung strömt, um voneinander beabstandet zu sein. Der Separator ist mit einem tunnelförmigen Formteil ausgebildet, durch welches das Reaktionsgas strömt und dabei den Strömungspfadteil überlappt.
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Das im Elastomerrahmen ausgebildete Strömungspfadteil ist mit einem Stufenteil in der Höhe ausgebildet, die der Dicke des Separators entspricht, und das Formteil des Separators sitzt in einem Bereich mit einer relativ geringen Höhe in Bezug auf das Stufenteil des Strömungspfadteils.
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Die Oberflächenhöhe des an dem Separator ausgebildeten Formteils ist so ausgebildet, dass sie der Höhe eines Bereichs mit einer relativ großen Höhe in Bezug auf den Stufenteil des Strömungspfadteils entspricht.
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Der Elastomerrahmen weist einen Vorsprung auf, der zwischen aneinander angrenzenden Strömungspfadteilen ausgebildet ist, und der Separator weist ein Befestigungsteil auf, das den zwischen den aneinander angrenzenden Formteilen ausgebildeten Vorsprung überlappt.
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Die Breite des in dem Elastomerrahmen ausgebildeten Vorsprungs ist kleiner als die Breite des Befestigungsteils, das in dem auszubildenden Separator ausgebildet ist, so dass die Außenfläche des Vorsprungs und die Innenfläche des Befestigungsteils, die einander zugewandt sind, in einem vorbestimmten Intervall voneinander beabstandet sind.
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Die Länge des im Elastomerrahmen ausgebildeten Vorsprungs ist länger als die Länge des im Separator ausgebildeten Formteils.
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Die der Oberfläche, auf der der Elastomerrahmen dem Separator zugewandt ist, gegenüberliegende Oberfläche der beiden Oberflächen des Elastomerrahmens ist mit mindestens einer Vorsprungsdichtung zum Umgeben des Einsatzes entlang des Äußeren Bereichs des Einsatzes ausgebildet, und die Vorsprungsdichtung ist in einem Bereich ausgebildet, der eine Position aufweist, die einer Position entspricht, wo das Formteil des Separators ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, das Formteil, das in der Lage ist, den Strömungspfad auszubilden, durch den das Reaktionsgas in den Separator aus dem Metallmaterial strömt, auszubilden, und das Strömungspfadteil, in dem das Formteil des Separators im Elastomerrahmen sitzt, auszubilden, wodurch der Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas strömt, stabil abgesichert ist.
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Ferner ist es möglich, den Vorsprung zwischen den Strömungspfadteilen im Elastomerrahmen auszubilden, das Befestigungsteil zwischen den Formteilen in dem Separator auszubilden, und zu diesem Zeitpunkt die Breite des Vorsprungs kleiner als die Breite des Befestigungsteils auszubilden, wodurch die Flächenpressung gut ausgebildet werden kann, wenn der Elastomerrahmen und der Separator beim Laminieren komprimiert werden.
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Daher ist es möglich, die Verformung des Formteils des Separators zu verhindern und gleichzeitig zu verhindern, dass sich der Elastomerrahmen verformt, während er in eine unerwünschte Form komprimiert wird, wodurch der Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas strömt, stabil gesichert und gleichzeitig die Luftdichtheit zwischen dem Elastomerrahmen und dem Separator sichergestellt werden kann.
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Ferner ist es möglich, den am Elastomerrahmen ausgebildeten Vorsprung so zu formen, dass er länger als das Formteil des Separators ist, wodurch das Reaktionsgas gleichmäßig in die gewünschte Richtung eingeleitet werden kann.
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Figurenliste
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Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen klarer verstanden, in denen:
- 1 ein Diagramm ist, das eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle darstellt, auf die ein allgemeiner elastomerer Zellenrahmen angewendet ist;
- 2 ein Diagramm ist, das die Hauptteile der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 3A und 3B Diagramme sind, die den Zustand vor und nach dem Laminieren der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen; und
- 4A bis 4C Diagramme sind, welche die Querschnitte der Hauptteile der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die nachstehend offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern wird in verschiedenen Formen ausgeführt, und die Ausführungsformen sollen die Offenbarung der vorliegenden Offenbarung nur vervollständigen und sind vorgesehen, um die Fachleute über den Umfang der Offenbarung vollständig zu informieren. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Elemente in den Zeichnungen.
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1 ist ein Diagramm, das eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle darstellt, auf die ein allgemeiner elastomerer Zellenrahmen angewendet ist, 2 ist ein Diagramm, das die Hauptteile der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt, 3A und 3B sind Diagramme, die den Zustand vor und nach dem Laminieren der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen, und 4A bis 4C sind Diagramme, welche die Querschnitte der Hauptteile der Einheitszelle für die Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen.
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4A ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie A-A' in 2, 4B ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie B-B' in 2, und 4C ist ein Querschnittsdiagramm entlang der Linie C-C' in 2.
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Wie in den Zeichnungen dargestellt, weist eine Einheitszelle für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Einsatz 100 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 110, in der ein Paar Elektrodenschichten an beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytmembran ausgebildet ist, einen Elastomerrahmen 200, der plattenförmig ausgebildet und an den Rand des Einsatzes 100 im äußeren Bereich des Einsatzes 100 thermisch verbunden ist, mit einer Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201, in der der Einsatz 100 darin ausgebildet angeordnet ist, und mit einer Vielzahl von Rahmenverteiler-Durchgangsöffnungen 210a, 210b, durch die das Reaktionsgas strömt oder ausgestoßen wird, und die an beiden Seiten der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 ausgebildet sind, und ein Paar von Separatoren 300a, 300b, die an einer Oberfläche und einer anderen Oberfläche des Einsatzes 100 und des Elastomerrahmens 200 angeordnet sind, um das Reaktionsgas zuzuführen, auf. Der in der vorliegenden Ausführungsform beschriebene elastomere Zellenrahmen bedeutet, dass der Einsatz 100 und der Elastomerrahmen 200 verbunden sind, während sie thermisch miteinander verbunden werden. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Bereich, in dem der Einsatz 100 im elastomeren Zellenrahmen angeordnet ist, der „Reaktionsfläche“.
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Der Einsatz 100 ist eine Anordnung aus der Laminierung der Membran-Elektroden-Anordnung 110 und einem Paar von Gasdiffusionsschichten 120a, 120b, und bevorzugt sind die Gasdiffusionsschichten 120a, 120b angeordnet und auf der einer Oberfläche bzw. der anderen Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung 110 laminiert.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung 110 ist als eine allgemeine Membran-Elektroden-Anordnung ausgeführt, die aus einer Polymerelektrolytmembran, die in der Lage ist, ein Wasserstoffproton zu transportieren, und einer Elektrodenschicht mit einem Katalysator, die an beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran aufgebracht ist, so dass Wasserstoff und Sauerstoff reagieren können, zusammengesetzt ist, d.h. einer Kathode und einer Anode.
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Die Gasdiffusionsschichten 120a, 120b sind ein Mittel, um das Reaktionsgas, das durch die Separatoren 300a, 300b zur Membran-Elektroden-Anordnung 110 strömt, durchzulassen und dabei zu diffundieren, und sind aus einem Basissubstrat allein oder aus dem Basissubstrat und einer mikroporösen Schicht (MPL), die an einer Oberfläche des Basissubstrats ausgebildet ist, ausgebildet. Insbesondere werden Ausführungsformen sowie Materialien des Basissubstrats und der mikroporösen Schicht als ein auf eine allgemeine Gasdiffusionsschicht aufgebrachtes Material ausgeführt.
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Der Elastomerrahmen 200 ist ein Mittel, das integral im äußeren Bereich des Einsatzes 100 ausgebildet ist, um die Luftdichtheit des Einsatzes 100 und die Benutzerfreundlichkeit im Laminierverfahren aufrechtzuerhalten, und der Elastomerrahmen 200 besteht aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) für das Verbinden durch die thermische Verbindung ohne ein separates Klebeelement unter Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Form. Dabei kann das thermische Verbinden durch Heißpressen, Ultraschallbonden, Hochfrequenzbonden, Vibrationsbonden, Infrarotbonden, Strahlungswärmebonden, Kalanderbonden und Laserbonden erfolgen. Insbesondere ist bei Ausführungsformen das thermische Verbinden bevorzugt eine Heißpressverbindung, bei der Wärme und Druck leicht vorgesehen werden können.
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Das thermoplastische Elastomer (TPE) kann aus einem Harzbasierten Hartsegment und einem Gummi-basierten Weichsegment ausgebildet sein. Daher trägt das Harz-basierte Hartsegment zum thermischen Verbinden (Verkleben) des Elastomerrahmens 200 bei, und das Gummi-basierte Weichsegment trägt zur Elastizität und Formbeständigkeit bei.
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Daher kann das thermoplastische Elastomer (TPE) auf Styrol-, Olefin-, Urethan-, Amid-, Polyester- oder ähnlicher Basis und bevorzugt ein thermoplastisches Elastomer (TPE) auf Polyolefinbasis verwendet werden. Das Harz-basierte Hartsegment kann aus einem Polyolefinharz wie PE oder PP hergestellt werden, und das Gummi-basierte Weichsegment kann aus einem Olefin-basierten Gummi wie Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) hergestellt sein.
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Der Elastomerrahmen 200 ist so angeordnet, dass er eine beliebige Oberfläche der beiden Oberflächen des Randes des Einsatzes 100 und dessen Seitenfläche im äußeren Bereich des Einsatzes 100 umgibt, und ist integral ausgebildet, indem er an der Grenzfläche davon thermisch verbunden ist, wobei der Einsatz 100 einer beliebigen Oberfläche der beiden Oberflächen des Randes des Einsatzes 100 und der Seitenfläche davon ausgesetzt ist. Hier bezeichnet der „äußere Bereich“ des Einsatzes 100 einen Bereich, der den Randbereich des Einsatzes 100 und einen Raum dessen Umgebung aufweist, und der „Rand“ des Einsatzes 100 bezeichnet den Kantenbereich des Einsatzes 100.
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Zum Beispiel ist, wie in 1 dargestellt, der Elastomerrahmen 200 so angeordnet, dass er den äußeren Bereich des Einsatzes 100 umgibt, während er einer Oberfläche des Randes des Einsatzes 100 und dessen Seitenfläche zugewandt ist.
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Insbesondere kann der Elastomerrahmen 200 die Grenzfläche mit dem Einsatz 100 für die luftdichte Verklebung mit dem Einsatz 100 erweitern.
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Zum Beispiel ist der Elastomerrahmen 200 mit einer Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 ausgebildet, in der der Einsatz 100 angeordnet ist, und die innere Umfangsfläche der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 ist mit einem Stufenteil 202 ausgebildet, um eine Oberfläche und die Seitenfläche des Einsatzes 100 zu umgeben.
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Daher wird an jeder Grenzfläche zwischen dem Einsatz 100 und dem Elastomerrahmen 200 ein thermischer Verbindungsteil durch die thermische Verbindung ausgebildet, wodurch die feste Verbindung und die Integration zwischen ihnen erfolgt.
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Der Elastomerrahmen 200 ist mit Rahmenverteiler-Durchgangsöffnungen 210a, 210b zur Ausbildung eines Verteilers ausgebildet, um das Reaktionsgas und das Kühlmittel in die durch den Einsatz 100 ausgebildete Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung zu strömen und abzuführen.
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Zum Beispiel ist eine Seite des Elastomerrahmens 200 mit einer Vielzahl von Rahmeneinström-Verteiler-Durchgangsöffnungen 210a ausgebildet, in die das Reaktionsgas und das Kühlmittel strömen, und die andere Seite davon ist mit einer Vielzahl von Rahmenausström-Verteiler-Durchgangsöffnungen 210b ausgebildet, durch die das Reaktionsgas und das Kühlmittel ausgestoßen werden.
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Der Elastomerrahmen 200 kann mit einem Mittel für die Luftdichtheit mit einem Separator ausgebildet sein.
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Zum Beispiel sind die eine Oberfläche und die andere Oberfläche des Elastomerrahmens 200 mit mindestens einer Vorsprungsdichtung 203 ausgebildet, um den Einsatz 100 entlang des äußeren Bereichs des Einsatzes 100 zu umgeben.
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Insbesondere ist die Vorsprungsdichtung 203 bevorzugt in einem Bereich ausgebildet, der eine Position aufweist, die einer später zu beschreibenden Position eines Formteils 320, das an einem Separator 300 ausgebildet ist, entspricht. Zum Beispiel ist die Vorsprungsdichtung 203 bevorzugt so ausgebildet, dass sie den Einsatz 100 entlang des äußeren Bereichs des Einsatzes 100 an der Oberfläche gegenüber der Oberfläche, in der der Elastomerrahmen 200 dem Separator 300 zugewandt ist, beider Oberflächen des Elastomerrahmens 200 umgibt, und ist bevorzugt so ausgebildet, dass ihre Position die Position aufweist, die der Position entspricht, an der das Formteil 320 des Separators 300 ausgebildet worden ist.
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Der Separator 300 (300a, 300b) ist ein Mittel, das an der einen und der anderen Oberfläche des aus dem Einsatz 100 und dem Elastomerrahmen 200 bestehenden elastomeren Zellenrahmens zum Zuführen des Reaktionsgases angeordnet ist, und aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist.
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Der Separator 300 ist ebenfalls mit Separatorverteiler-Durchgangsöffnungen 310a, 310b zum Ausbilden eines Verteilers zum Strömen und Ausstoßen des Reaktionsgases und des Kühlmittels wie im Elastomerrahmen 200 ausgebildet.
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Zum Beispiel ist eine Seite des Separators 300 mit der Vielzahl von Separator-Einströmverteiler-Durchgangsöffnungen 310a ausgebildet, um der Vielzahl von Rahmeneinström-Verteiler-Durchgangsöffnungen 210a zu entsprechen, und die andere Seite davon ist mit der Vielzahl von Separator-Ausströmverteiler-Durchgangsöffnungen 310b ausgebildet, um der Vielzahl von Rahmenausström-Verteiler-Durchgangsöffnungen 210b zu entsprechen.
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Daher wird ein Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas und das Kühlmittel strömen, zwischen der Separator-Einströmverteiler-Durchgangsöffnung 310a und der Separator-Ausströmverteiler-Durchgangsöffnung 310b ausgebildet, d.h. in dem Bereich, in dem die Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Diffusionsteil (nicht dargestellt), das mit einem Strömungspfad mit der Form der Diffusion des Reaktionsgases ausgebildet ist, zwischen der Separator-Einströmverteiler-Durchgangsöffnung 310a und der Reaktionsfläche ausgebildet sein.
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Ein Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas strömt, ist zwischen dem oben beschriebenen Elastomerrahmen 200 und dem Separator 300 ausgebildet. Insbesondere werden ein Einström-Strömungspfad und ein Ausström-Strömungspfad, durch die das Reaktionsgas strömt und ausgestoßen wird, zwischen dem Verteiler und der Reaktionsfläche ausgebildet.
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Die vorliegende Ausführungsform weist eine Struktur auf, die einen tunnelförmigen Strömungspfad im Separator ausbildet und ist so ausgebildet, dass der an dem Separator 300 ausgebildete tunnelförmige Strömungspfad stabil im Elastomerrahmen 200 sitzt, um die Luftdichtheit aufrechtzuerhalten und gleichzeitig den zwischen dem Elastomerrahmen 200 und dem Separator 300 ausgebildeten Einström-Strömungspfad und den Ausström-Strömungspfad stabil abzusichern.
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Im Folgenden wird, wie in 2 dargestellt, die vorliegende Ausführungsform am Beispiel der Strukturen des Elastomerrahmens 200 und des Separators 300 im Bereich des Einström-Strömungspfades beschrieben. Natürlich können diese Strukturen auch auf den Bereich angewendet werden, der dem Ausström-Strömungspfad entspricht.
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Zum Beispiel ist mindestens eine Oberfläche der einen und der anderen Oberfläche des Elastomerrahmens 200 in einer Vielzahl mit einer Vielzahl von Strömungspfadteilen 220 ausgebildet, durch die das Reaktionsgas zwischen mindestens einer der Rahmeneinström-Verteiler-Durchgangsöffnung 210a und der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 strömt, so dass sie voneinander beabstandet sind. Ferner weist der Elastomerrahmen 200 den Vorsprung 230 auf, der zwischen den benachbarten Strömungspfadteilen 220 ausgebildet ist. Daher sind das Strömungspfadteil 220 und der Vorsprung 230 abwechselnd zwischen der Rahmeneinström-Verteiler-Durchgangsöffnung 210a und der Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 entlang der Breitenrichtung des Elastomerrahmens 200 ausgebildet. Das Strömungspfadteil 220 und der Vorsprung 230 sind in einer Richtung von der Rahmeneinström-Verteiler-Durchgangsöffnung 210a zur Reaktionsflächen-Durchgangsöffnung 201 ausgebildet.
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Ferner weist das im Elastomerrahmen 200 ausgebildete Strömungspfadteil 220 ein Stufenteil 221 auf, das in der Höhe entsprechend der Dicke des Separators 300 ausgebildet ist. Daher ist das Strömungspfadteil 220 in einen Bereich mit einer relativ geringen Höhe und einen Bereich mit einer relativ großen Höhe in Bezug auf das Stufenteil 221 unterteilt.
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Der Separator 300 ist mit einem tunnelförmigen Formteil 320 ausgebildet, durch den das Reaktionsgas strömt, während es das Strömungspfadteil 220, das im Elastomerrahmen 200 ausgebildet ist, überlappt. Ferner weist der Separator 300 ein Befestigungsteil 330 auf, das den Vorsprung 230 des Elastomerrahmens 200 überlappt, der zwischen den benachbarten Formteilen 320 ausgebildet ist. Daher sind das Formteil 320 und das Befestigungsteil 330 abwechselnd zwischen der Separator-Einströmverteiler-Durchgangsöffnung 310a und dem Reaktionsflächenbereich entlang der Breitenrichtung des Separators 300 ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist das Formteil 320 des Separators 300 durch Biegen ausgebildet, während einige Bereiche des Separators 300 in einer Oberflächenrichtung durch das Pressformen hervorstehen. Insbesondere weist der Separator 300 den Endabschnitt des Bereichs auf, in dem das Formteil 320 in einer vorbestimmten Länge geschnitten und das Pressformen durchgeführt wird, und das Formteil 320 wird in einer Tunnelform verarbeitet, in der beide Enden miteinander in Verbindung stehen. Daher wird eine Strömungspfadöffnung 321 zur Verbindung von der anderen Oberfläche des Formteils 320 zu dem einen Oberflächenbereich des Separators 300 ausgebildet, der an den Bereich angrenzt, in dem das Formteil 320 durch das in der Tunnelform ausgebildete Formteil 320 geformt worden ist. Daher strömt das Reaktionsgas von dem anderen Oberflächenbereich des Formteils 320 zur Reaktionsfläche, d.h. dem Einsatz 100, durch die Strömungspfadöffnung 321.
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Das Formteil 320 des Separators 300 ist so ausgebildet, dass es die Länge aufweist, die dem Bereich mit der relativ geringen Höhe in Bezug auf das Stufenteil 221 des Strömungspfadteils 220 entspricht, das in dem Elastomerrahmen 200 ausgebildet ist. Daher ist das Formteil 320 des Separators 300 so ausgebildet, dass es in dem Bereich mit der relativ geringen Höhe des Strömungspfadteils 220 des Elastomerrahmens 200 platziert ist. Wie in 4B dargestellt, wird, da das im Strömungspfadteil 220 des Elastomerrahmens 200 ausgebildete Stufenteil 221 in der Höhe ausgebildet ist, die der Dicke des Separators 300 entspricht, die Höhe der anderen Oberfläche des Formteils 320 beibehalten, d.h. die Oberfläche wird auf der gleichen Höhe gehalten wie der Bereich mit der relativ großen Höhe des Strömungspfadteils 220, wodurch das Reaktionsgas gleichmäßig strömt.
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Ferner unterscheiden sich in der vorliegenden Ausführungsform die Breite des Vorsprungs 230 und die Breite des Befestigungsteils 330, um zu verhindern, dass der Vorsprung 230 des Elastomerrahmens 200 übermäßig verformt wird, während er durch das Befestigungsteil 330 des Separators 300 komprimiert wird, um die Luftdichtheit zum Zeitpunkt des Laminierens des Elastomerrahmens 200 und des Separators 300 freizugeben.
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Zum Beispiel ist, wie in 4A dargestellt, die Breite des Vorsprungs 230, der im Elastomerrahmen 200 ausgebildet ist, kleiner ausgebildet als die Breite des Befestigungsteils 330, das im Separator 300 ausgebildet ist, wodurch er so ausgebildet wird, dass die Außenfläche des Vorsprungs 230 und die Innenfläche des Befestigungsteils 330, die einander zugewandt sind, im Falle des Laminierens des Elastomerrahmens 200 und des Separators 300, um einander zu überlappen, in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Wenn der Elastomerrahmen 200 und der Separator 300 während des Laminierens komprimiert werden, ist es daher möglich, die Verformung des Befestigungsteils 330 des Separators 300 zu verhindern, indem man die Verformung innerhalb eines Zwischenraums zwischen dem Vorsprung 230 und dem Befestigungsteil 330 zulässt, selbst wenn der Vorsprung 230 des Elastomerrahmens 200 bis zu einem gewissen Grad komprimiert wird, und somit die Verformung des an das Befestigungsteil 330 angrenzenden Formteils 320 zu verhindern und dadurch den Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas ohne Verformung strömt, stabil abzusichern.
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Ferner kann, wie in 2 und 3 gezeigt, die Länge des im Elastomerrahmen 200 ausgebildeten Vorsprungs 230 länger als die Länge des im Separator 300 ausgebildeten Formteils 320 ausgebildet sein, wodurch der Strömungspfad, durch den das Reaktionsgas strömt, lang genug ausgebildet ist. Daher kann das Reaktionsgas gleichmäßig in der gewünschten Richtung zum Strömen gebracht werden.
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Während die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt und wird durch die später zu beschreibenden Ansprüche limitiert. Daher können Fachleute die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise ändern und modifizieren, ohne vom technischen Geist der später zu beschreibenden Ansprüche abzuweichen.
