DE102022110356A1

DE102022110356A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102022110356A1
Application number: DE102022110356.0A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Nonoyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20220367889A1; JP2022175657A; CN115425250A

Abstract

Es wird eine Brennstoffzelle geschaffen, bei der die Gasabdichtungseigenschaft zwischen den Brennstoffzelleneinheiten hoch und die Querschnittsfläche des Kühlmittelströmungswegs groß ist. Eine Brennstoffzelle, aufweisend: Brennstoffzelleneinheiten, die zueinander benachbart sind, eine Kühlplatte und eine Dichtung, wobei die Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist; wobei die Kühlplatte eine gewellte Platte ist, die konkave Rillen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie als Kühlmittelströmungsweg fungieren; wobei die Dichtung eine erste Konvexität mit einer Höhe aufweist, die größer ist als eine Dicke der Kühlplatte, und die Dichtung Verteiler der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten abdichtet; und wobei die Dichtung zumindest an einem Teil eines Seitenabschnitts der ersten Konvexität eine zweite Konvexität aufweist, die eine Konvexität in derselben Richtung wie die erste Konvexität aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Leistungs- bzw. Stromerzeugungsvorrichtung, die aus einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit (im Folgenden als „Zelle“ bezeichnet) oder einem Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten gebildet ist, (im Folgenden als „Stapel“ bezeichnet) besteht und elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsgas (z. B. Sauerstoff) erzeugt. In vielen Fällen sind das Brenngas und das Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, Gemische mit Gasen, die nicht zur Oxidation und Reduktion beitragen. Insbesondere ist das Oxidationsgas oft sauerstoffhaltige Luft.
Im Folgenden werden Brenngas und Oxidationsgas zusammenfassend und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet. Auch können eine einzelne Brennstoffzelleneinheit und ein Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht, als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
Es wurden verschiedene Arten von Brennstoffzellentechniken vorgeschlagen.
In der Patentliteratur 1 wird zum Beispiel eine Kühlplatte (eine gewellte Rippe) beschrieben, die zwischen benachbarten Zellen angeordnet ist und aus einer gewellten Platte mit konkaven Rillen besteht, die als Kühlgasströmungsweg dienen.
Patentliteratur 2 offenbart einen luftgekühlten Metallseparator, der kein Kühlwasser benötigt.
Patentliteratur 3 offenbart einen Stapel für Brennstoffzellen, der eine verbesserte Kühleffizienz aufweist, und ein Brennstoffzellensystem, das den Stapel enthält.

Patentliteratur 1: JP 2020 - 126 782 A
Patentliteratur 2: JP 2013 - 500 567 A
Patentliteratur 3: JP 2006 - 210 351 A

Die Brennstoffzelleneinheiten einer Brennstoffzelle erzeugen bei der elektrochemischen Reaktion Wärme. In einigen Brennstoffzellen ist eine Kühlplatte zwischen benachbarten Brennstoffzelleneinheiten und zwischen dem Seiten- und dem Seitenplattenabschnitt der benachbarten Zellen angeordnet, und die Brennstoffzelleneinheiten werden durch die Kühlplatte abgekühlt, um zu verhindern, dass die Brennstoffzellentemperatur eine übermäßig hohe Temperatur erreicht. Neben der Wasserkühlung ist die Luftkühlung als weitere Kühlmethode untersucht worden. Da in diesem Fall Luft als Kühlmittel verwendet wird und eine geringere Wärmekapazität als Wasser hat, ist der Volumenstrom des Kühlmediums um ein Vielfaches größer als der von Wasser. Dementsprechend muss der Kühlmittelströmungsweg viel tiefer als bei der Wasserkühlung sein.
In der Patentliteratur 1 werden keine Dichtungen und Abdichtungen beschrieben. Aus 2 der Patentliteratur 1 geht jedoch hervor, dass die Endabschnitte der gewellten Rippe, die den Kühlgasströmungsweg bilden, die Endabschnitte der Zelle erreichen. In diesem Fall sind an den Endabschnitten der Zelle zwei Arten von Dichtungen erforderlich, um die Grenze zwischen der gewellten Rippe und der ersten Zelle und die Grenze zwischen der gewellten Rippe und der zweiten Zelle abzudichten. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Bauteile. Außerdem geht man davon aus, dass die Montage der Bauteile umständlicher wird. Wenn verhindert wird, dass die Endabschnitte der gewellten Rippen die Endabschnitte der Zellen erreichen, wird nur eine Art von Dichtung benötigt. Um die Querschnittsfläche des Kühlgasströmungsweges zu vergrößern, ist es jedoch notwendig, die Faltenteilung der gewellten Rippe zu erhöhen. Wenn die Höhe der Dichtung entsprechend der Teilung vergrößert wird, ist es wahrscheinlich, dass sich die Dichtung verformt (z. B. wackelt die Dichtung, wenn eine Last aufgebracht wird), verzieht oder verbiegt, was zu einer Verringerung der Dichtungseigenschaften führt.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben genannten Umstände erreicht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle zu schaffen, bei der die Gasdichtungseigenschaft zwischen den einzelnen Brennstoffzellen hoch ist und die Querschnittsfläche des Kühlmittelströmungswegs groß ist.
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die aufweist:

Brennstoffzelleneinheiten, die zueinander benachbart sind,
eine Kühlplatte, und
eine Dichtung,
wobei die Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist;
wobei die Kühlplatte eine gewellte Platte ist, die konkave Rillen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie als Kühlmittelströmungsweg fungieren;
wobei die Dichtung eine erste Konvexität mit einer Höhe aufweist, die größer ist als eine Dicke der Kühlplatte, und die Dichtung Verteiler der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten abdichtet; und
wobei die Dichtung zumindest an einem Teil eines Seitenabschnitts der ersten Konvexität eine zweite Konvexität aufweist, die eine Konvexität in derselben Richtung wie die erste Konvexität aufweist.

Die Höhe der zweiten Konvexität kann gleich oder niedriger als die Höhe der ersten Konvexität sein.
Kühlwasser oder Luft kann durch den Kühlmittelströmungsweg fließen.
In der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist die Gasabdichtungseigenschaft zwischen den Brennstoffzelleneinheiten hoch und die Querschnittsfläche des Kühlmittelströmungswegs ist groß.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:

1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Beispiels eines Teils der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf ein Beispiel der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung; und
3 eine Schnittansicht der in 2 gezeigten Brennstoffzelle entlang der Linie E-E.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die aufweist:

Bei der Luftkühlung ist der Volumenstrom der Kühlkomponente (der Kühlplatte) um ein Vielfaches größer als bei der Wasserkühlung. Dementsprechend muss der Kühlmittelströmungsweg viel tiefer als bei der Wasserkühlung sein. Wenn die Kühlkomponente in Kontakt mit dem Reaktionssystem ist, ist Korrosionsbeständigkeit erforderlich. Dementsprechend wurde schweres SUS oder Ti oberflächenbehandelt und zu hohen Kosten verwendet, oder es wurde ein Separator verwendet, der durch das Schneiden tiefer Rillen in Kohlenstoff gebildet wurde.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die bipolare Platte der zueinander benachbarten Brennstoffzelleneinheiten eine dreischichtige Struktur, die aus dem Separator einer der Brennstoffzelleneinheiten, der Kühlplatte und dem Separator der anderen Brennstoffzelleneinheit besteht. Dementsprechend ist die Bildung von Separatoren durch das Einbringen tiefer Nuten durch Pressformen nicht erforderlich. Selbst in Fällen, in denen es notwendig ist, einen großen Kühlraum zwischen den Zellen vorzusehen, und die Dichtung sich daher wahrscheinlich verformt (z. B. bei Luftkühlung), wird die Zuverlässigkeit der Abdichtung zwischen den Zellen erhöht, und die Bildung einer integrierten Brennstoffzelle ist möglich. Dementsprechend erhöht sich die Anzahl der Komponenten nicht, und Hinderlichkeiten beim Zusammenbau werden verringert. Aufgrund der erhöhten Zuverlässigkeit der Abdichtung wird die erforderliche Korrosionsbeständigkeit der Kühlplatte gesenkt. Dementsprechend kann als Material für die Kühlplatte ein kostengünstiges, leicht zu biegendes Material, wie z.B. Aluminium, verwendet werden.
Die Brennstoffzelle umfasst die zueinander benachbarten Brennstoffzelleneinheiten, die Kühlplatte, die zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist, und die Dichtung.
Die Brennstoffzelle ist ein Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht.
Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten ist nicht besonders begrenzt. Zum Beispiel können 2 bis mehrere hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt werden; 2 bis 600 Brennstoffzelleneinheiten können gestapelt werden; oder 2 bis 200 Brennstoffzelleneinheiten können gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte an beiden Stapelrichtungsenden jeder Brennstoffzelleneinheit, eine Kollektorplatte, eine Druckplatte und dergleichen umfassen.
Jede Brennstoffzelleneinheit kann eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) enthalten. Jede Brennstoffzelleneinheit kann erste und zweite Separatoren enthalten, die die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sandwichartig umgeben.
Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung umfasst eine erste Gasdiffusionsschicht, eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine zweite Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
Genauer gesagt umfasst die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
Eine von der ersten und zweiten Katalysatorschicht ist die Kathodenkatalysatorschicht und die andere ist die Anodenkatalysatorschicht.
Die Kathode (Oxidationselektrode) umfasst die Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
Die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht werden gemeinsam als „Katalysatorschicht“ bezeichnet. Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden gemeinsam als „Katalysatorschicht“ bezeichnet.
Eine von der ersten Gasdiffusionsschicht und der zweiten Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, und die andere ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
Die erste Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die kathodenseitige Katalysatorschicht ist. Die erste Gasdiffusionsschicht ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die kathodenseitige Katalysatorschicht ist. Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
Die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht werden gemeinsam als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet. Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden gemeinsam als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein.
Beispiele für das elektrisch leitende Element sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier und ein poröses Metallmaterial wie Metallgewebe und Metallschaum.
Die Brennstoffzelle kann eine mikroporöse Schicht (MPL) zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht enthalten. Die mikroporöse Schicht kann eine Mischung aus einem wasserabweisenden Harz wie PTFE und einem elektrisch leitenden Material wie Ruß enthalten.
Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für die Festpolymerelektrolytmembran sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran wie eine dünne, feuchtigkeitshaltige Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann z. B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont Co., Ltd.) sein.
Einer von dem ersten und zweiten Separator ist der kathodenseitige Separator, der andere der anodenseitige Separator.
Der erste Separator ist der kathodenseitige Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die kathodenseitige Katalysatorschicht ist. Der erste Separator ist der anodenseitige Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
Der zweite Separator ist der kathodenseitige Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die kathodenseitige Katalysatorschicht ist. Der zweite Separator ist der anodenseitige Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
Der erste Separator und der zweite Separator werden gemeinsam als „Separator“ bezeichnet. Der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator werden gemeinsam als „Separator“ bezeichnet.
Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung ist zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator angeordnet.
Der Separator kann Zufuhr- und Auslassöffnungen aufweisen, durch die das Fluid, z. B. das Reaktionsgas und das Kühlmittel, in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten fließen kann. Handelt es sich bei dem Kühlmittel um ein Gas, so kann beispielsweise Kühlluft als Kühlmittel verwendet werden. Handelt es sich bei dem Kühlmittel um eine Flüssigkeit, kann zur Vermeidung des Einfrierens bei niedrigen Temperaturen beispielsweise Kühlwasser, wie eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser, als Kühlmittel verwendet werden.
Als Zufuhröffnung können beispielsweise eine Brenngaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und eine Kühlmittelzufuhröffnung verwendet werden, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Als Auslassöffnung können beispielsweise eine Brenngasauslassöffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung und eine Kühlmittelauslassöffnung verwendet werden, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Der Separator kann je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen aufweisen.
Der Separator kann einen Reaktionsgasströmungsweg auf einer mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche aufweisen. Außerdem kann der Separator auf der Oberfläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
Wenn es sich bei dem Separator um den anodenseitigen Separator handelt, kann er je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen umfassen. Der anodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Brenngasströmungsweg aufweisen, der es dem Brenngas ermöglicht, von der Brenngaszufuhröffnung zur Brenngasauslassöffnung zu strömen. Der anodenseitige Separator kann je nach Bedarf auf der Oberfläche, die der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kühlmittel ermöglicht, von der Kühlmittelzufuhröffnung zur Kühlmittelauslassöffnung zu fließen.
Wenn es sich bei dem Separator um den kathodenseitigen Separator handelt, kann er je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen umfassen. Der kathodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Oxidationsgasströmungsweg aufweisen, der es dem Oxidationsgas ermöglicht, von der Oxidationsgaszufuhröffnung zur Oxidationsgasauslassöffnung zu strömen. Der kathodenseitige Separator kann je nach Bedarf auf der Oberfläche, die der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kühlmittel ermöglicht, von der Kühlmittelzufuhröffnung zur Kühlmittelauslassöffnung zu strömen.
Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Harzmaterial wie ein wärmehärtendes Harz, ein thermoplastisches Harz und Harzfasern, ein Kohlenstoffverbundmaterial, das durch Pressformen eines kohlenstoffhaltigen Materials wie Kohlenstoffpulver und Kohlenstofffasern erhalten wird, gasundurchlässiger dichter Kohlenstoff, der durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte (wie eine Titanplatte, eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Platte aus rostfreiem Stahl (SUS)), die durch Pressformen erhalten wird. Der Separator kann als Sammler fungieren.
Die Brennstoffzelle kann einen Verteiler umfassen, wie z. B. einen Einlassverteiler, der zwischen den Zufuhröffnungen kommuniziert, und einen Auslassverteiler, der zwischen den Auslassöffnungen kommuniziert.
Beispiele für den Einlassverteiler sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodeneinlassverteiler, ein Kathodeneinlassverteiler und ein Kühlmitteleinlassverteiler.
Beispiele für den Auslassverteiler sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodenauslassverteiler, ein Kathodenauslassverteiler und ein Kühlmittelauslassverteiler.
In der vorliegenden Erfindung werden das Brenngas und das Oxidationsgas gemeinsam als „Reaktionsgas“ bezeichnet. Das der Anode zugeführte Reaktionsgas ist das Brenngas, und das der Kathode zugeführte Reaktionsgas ist das Oxidationsgas. Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, und kann Wasserstoff sein. Das Oxidationsgas kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder dergleichen sein.
Die Brennstoffzelle kann einen Harzrahmen enthalten.
Der Harzrahmen kann am Umfang der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung angeordnet sein und kann zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator angeordnet sein.
Der Harzrahmen kann eine Komponente zur Verhinderung von Querleckagen oder eines Kurzschlusses zwischen den Katalysatorschichten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sein.
Der Harzrahmen kann ein Gerüst, eine Öffnung, Zufuhröffnungen und Auslassöffnungen umfassen.
Das Gerüst ist ein Hauptteil des Harzrahmens, der mit der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung verbunden ist.
Die Öffnung ist ein Bereich, der die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung hält, und sie ist auch ein Durchgangsloch, das einen Teil des Gerüsts durchdringt, um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung darin einzusetzen. Im Harzrahmen kann die Öffnung an der Stelle angeordnet sein, an der das Gerüst um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung herum (am Umfang) angeordnet ist, oder sie kann in der Mitte des Harzrahmens angeordnet sein.
Durch die Zufuhr- und Auslassöffnungen können das Reaktionsgas, das Kühlmittel und dergleichen in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit fließen. Die Zufuhröffnungen des Harzrahmens können so ausgerichtet und angeordnet sein, dass sie mit den Zufuhröffnungen des Separators in Verbindung stehen. Die Auslassöffnungen des Harzrahmens können so ausgerichtet und angeordnet sein, dass sie mit den Auslassöffnungen des Separators in Verbindung stehen.
Der Harzrahmen kann eine rahmenförmige Kernschicht und zwei rahmenförmige Schalenschichten umfassen, die auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet sind, d. h. eine erste Schalenschicht und eine zweite Schalenschicht.
Wie die Kernschicht können auch die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht rahmenförmig auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet sein.
Die Kernschicht kann ein Strukturelement sein, das gasdichtende und isolierende Eigenschaften aufweist. Die Kernschicht kann aus einem solchen Material bestehen, dass die Struktur bei der Temperatur des Heißpressens in einem Brennstoffzellenherstellungsprozess unverändert bleibt. Beispiele für das Material der Kernschicht sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, Harze wie Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyphenylenether (PPE), Polyetheretherketon (PEEK), Cycloolefin, Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Flüssigkristallpolymer (LCP) und Epoxidharz. Das Material für die Kernschicht kann ein Gummimaterial wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Kautschuk auf Fluorbasis und Kautschuk auf Silikonbasis sein.
Im Hinblick auf die Gewährleistung der Isolationseigenschaften kann die Dicke der Kernschicht 5 µm oder mehr betragen, oder sie kann 30 µm oder mehr betragen. Unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Zelldicke kann die Dicke der Kernschicht 200 µm oder weniger betragen, oder sie kann 150 µm oder weniger betragen.
Um die Kernschicht an den anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren zu befestigen und die Dichtungseigenschaften zu gewährleisten, können die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht die folgenden Eigenschaften aufweisen: die erste und die zweite Schalenschicht haben eine hohe Adhäsion zu anderen Substanzen; sie werden bei der Temperatur des Heißpressens erweicht; und sie haben eine niedrigere Viskosität und einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Kernschicht. Genauer gesagt können die erste und die zweite Schalenschicht aus einem thermoplastischen Harz bestehen, wie z. B. einem Harz auf Polyesterbasis und einem Harz auf Basis von modifizierten Olefin, oder sie können ein wärmehärtendes Harz sein, wie z. B. ein modifiziertes Epoxidharz. Die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht können aus der gleichen Art von Harz bestehen wie die Klebeschicht.
Das Harz zur Bildung der ersten Schalenschicht und das Harz zur Bildung der zweiten Schalenschicht können die gleiche Art von Harz sein, oder es können verschiedene Arten von Harzen sein. Durch die Anordnung der Schalenschichten auf beiden Oberflächen der Kernschicht ist es einfach, den Harzrahmen und die beiden Separatoren durch Heißpressen zu verbinden.
Im Hinblick auf die Gewährleistung der Haftung kann die Dicke der ersten und zweiten Schalenschicht 5 µm oder mehr betragen, oder sie kann 20 µm oder mehr betragen. Unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Zelldicke kann die Dicke der ersten und zweiten Schalenschicht 100 µm oder weniger betragen, oder sie kann 40 µm oder weniger betragen.
In dem Harzrahmen kann die erste Schalenschicht nur an einem Teil angeordnet sein, der an dem anodenseitigen Separator befestigt ist, und die zweite Schalenschicht kann nur an einem Teil angeordnet sein, der an dem kathodenseitigen Separator befestigt ist. Die erste Schalenschicht, die auf einer Oberfläche der Kernschicht angeordnet ist, kann an dem kathodenseitigen Separator befestigt sein. Die zweite Schalenschicht, die sich auf der anderen Oberfläche der Kernschicht befindet, kann an dem anodenseitigen Separator befestigt sein. Der Harzrahmen kann sandwichartig zwischen den beiden Separatoren angeordnet sein.
Die Dichtung umfasst die erste Konvexität mit einer Höhe, die größer ist als die Dicke der Kühlplatte, und die Dichtung dichtet die Sammelrohre bzw. Verteiler der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten ab. Dementsprechend wird eine solche Struktur erreicht, dass die Kühlplatte nicht auf dem Verteiler erscheint und die Kühlplatte nicht in Kontakt mit dem Reaktionsgas, wie dem Oxidationsgas und dem Brenngas, ist.
Das heißt, die Dichtung ist zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet und dichtet den Umfang der Verteiler der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten ab, so dass die Kühlplatte von dem Verteiler isoliert ist und das durch den Verteiler strömende Reaktionsgas daran gehindert wird, in den Bereich zu entweichen, in dem die Kühlplatte angeordnet ist. Dementsprechend lässt der Verteiler das Reaktionsgas nur in Stapelrichtung in dem Bereich zwischen den benachbarten Brennstoffzellen strömen und kann verhindern, dass das Reaktionsgas in Ebenenrichtung austritt.
Wenn mehrere Verteiler vorhanden sind, kann in jedem Verteiler eine Dichtung zur Abdichtung des Verteilers angeordnet werden, oder es kann eine plattenförmige Dichtung mit einer solchen Struktur, die die Verteiler abdichten kann, angeordnet werden. Von den Verteilern braucht keine Dichtung im Kühlmitteleinlassverteiler und im Kühlmittelauslassverteiler angeordnet sein, und die Kühlmitteleinlass- und -auslassverteiler können mit der Kühlplatte und dem Kühlmittelströmungsweg des Separators in Verbindung stehen.
Zumindest an einem Teil des Seitenabschnitts der ersten Konvexität umfasst die Dichtung die zweite Konvexität, die die Konvexität in derselben Richtung wie die erste Konvexität (d.h. eine Seitenlippe) umfasst. Die zweite Konvexität kann zumindest an einem Teil des Seitenabschnitts der ersten Konvexität angeordnet sein; sie kann am gesamten Umfang des Seitenabschnitts angeordnet sein; oder sie kann in einem Bereich angeordnet sein, der 50 % des Umfangs der Dichtung ausmacht. Die zweite Konvexität kann in dem Bereich angeordnet sein, der 50 % des Umfangs der Dichtung am Seitenabschnitt der ersten Konvexität ausmacht, und in dem Bereich auf der Seite, die der Seite gegenüberliegt, auf der die MEGA in Ebenenrichtung angeordnet ist, d. h. die zweite Konvexität kann in dem Bereich auf der Außenseite der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein. Dementsprechend ist es unwahrscheinlicher, dass der Separator im inneren Bereich in Ebenenrichtung der Brennstoffzelleneinheit verdreht wird, was zu einer Reduzierung der Produktionskosten führt.
Durch die Anordnung der Seitenlippe wird die Seitenlippe zusammengedrückt, und eine Zelldichtungslinie unter der Dichtung ist immer zusammengedrückt und kann sich weniger leicht lösen. Durch die Seitenlippe wird die Torsion und der Schwung (EN: rapture) des Separators unterdrückt. Diese Unterdrückung der Torsion des Separators wurde durch die Ergebnisse der Berechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestätigt.
Die Höhe der zweiten Konvexität kann gleich hoch, höher oder niedriger als die Höhe der ersten Konvexität sein. Die Höhe der zweiten Konvexität kann gleich oder niedriger als die Höhe der ersten Konvexität sein, oder die Höhe der zweiten Konvexität kann niedriger als die Höhe der ersten Konvexität sein.
Das Material für die Dichtung kann Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Silikonkautschuk, thermoplastisches Elastomerharz oder dergleichen sein.
Die Höhe der Dichtung kann mehr als 50 % der Dicke einer Brennstoffzellen-Kühlplatten-Einheit betragen, die eine Brennstoffzelle und eine Kühlplatte umfasst.
Die Dicke der Brennstoffzelleneinheit ist die Gesamtdicke des ersten Separators, des Harzrahmens, der die MEGA in seiner Öffnung aufnimmt, und des zweiten Separators.
Die Kühlplatte ist zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet.
Solange die Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist, kann die Kühlplatte in mindestens einem Teil des Bereichs in Ebenenrichtung zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sein.
Die Kühlplatte kann in dem Bereich angeordnet sein, der sich zwischen den in Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzellen befindet und zumindest der MEGA zugewandt ist.
Die Kühlplatte kann in einem anderen Bereich als dem Bereich angeordnet sein, in dem die Dichtung zwischen den in Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist.
Die Kühlplatte kann in einem Bereich angeordnet sein, der sich von dem Bereich unterscheidet, in dem die Dichtung zwischen den in Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist, und sie kann in einem Bereich ohne den äußeren Umfangsrandabschnitt in Ebenenrichtung zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sein. Das heißt, die Kühlplatte kann zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten so angeordnet werden, dass die Endabschnitte in Ebenenrichtung der Kühlplatte die Endabschnitte in Ebenenrichtung der Brennstoffzelleneinheiten nicht erreichen.
Die Kühlplatte kann in einem Bereich angeordnet sein, der sich von dem Bereich unterscheidet, in dem die Dichtung zwischen den in Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist und der der MEGA gegenüberliegt.
Bei der Kühlplatte handelt es sich um eine gewellte Platte mit konkaven Rillen, die als Strömungsweg für das Kühlmittel dienen.
Durch den Kühlmittelströmungsweg kann Kühlwasser oder Kühlluft fließen, oder es kann Kühlluft durch den Kühlmittelströmungsweg fließen. Das Volumen des Kühlmittelstromweges kann durch die Kühlplatte vergrößert werden. Dementsprechend kann ein ausreichendes Volumen gewährleistet werden, wenn das Kühlmittel Luft ist. Wenn das Kühlmittel flüssig ist, kann die Leistung einer Kühlpumpe verringert und der Druckverlust reduziert werden.
Als Kühlplatte kann zum Beispiel eine gewellte Metallplatte verwendet werden, die durch Falten einer Metallplatte (z. B. einer Aluminiumplatte) hergestellt wird. Die Oberfläche der Kühlplatte kann einer leitenden Behandlung mit Silber, Nickel, Kohlenstoff oder ähnlichem unterzogen werden.
Die konkaven Rillen der Kühlplatte können durch Falten der Kühlplatte gebildet werden.
Die Tiefe der konkaven Rillen kann z. B. zwischen 1,0 mm und 2,0 mm liegen.
Die Metallplatte kann gefaltet werden, um konkave Rillen mit einer Tiefe von 1,0 mm bis 2,0 mm bei einem Abstand von beispielsweise 1,0 mm bis 2,0 mm zu bilden, wodurch die gewellte Kühlplatte hergestellt wird.
1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Beispiels eines Teils der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung.
Die Brennstoffzelle umfasst eine Baugruppe 100 mit einer Brennstoffzelleneinheit 90, einer Kühlplatte 50 und einer Dichtung 60.
Die Brennstoffzelleneinheit 90 umfasst einen ersten Separator 20, einen Harzrahmen 40, in dessen Öffnung eine MEGA angeordnet ist, und einen zweiten Separator 30 in dieser Reihenfolge.
Die Kühlplatte 50 ist in einem Bereich angeordnet, der sich von dem Bereich unterscheidet, in dem die Dichtung 60 auf einer Oberfläche des zweiten Separators 30 der Brennstoffzelleneinheit 90 angeordnet ist, und der der MEGA zugewandt ist.
Die Dichtungen 60 sind um Verteiler 80 auf der kühlplattenseitigen Oberfläche des zweiten Separators 30 angeordnet.
Im ersten Separator 20, im Harzrahmen 40 und im zweiten Separator 30 sind eine Oxidationsgaszufuhröffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung, eine Brenngaszufuhröffnung und eine Brenngasauslassöffnung angeordnet, bei denen es sich um die Verteiler 80 handelt, durch die Reaktionsluft (Oxidationsgas) und Wasserstoff (Brenngas) strömen können, wie durch Pfeile angezeigt.
In der Kühlplatte 50 sind konkave Rillen bzw. Nuten angeordnet, die alle als Kühlmittelströmungsweg dienen, durch den Kühlluft (Kühlmittel) strömen kann, wie durch Pfeile angezeigt.
2 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung.
Eine Dichtung 60 und ein Verteiler 80 sind in einer Brennstoffzelle 200 angeordnet.
3 ist eine Schnittdarstellung der in 2 gezeigten Brennstoffzelle entlang der Linie E-E.
Die Brennstoffzelle 200 ist aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten 90 gebildet.
Die Brennstoffzelle 200 umfasst die Brennstoffzelleneinheiten 90, Kühlplatten 50, die zwischen den Brennstoffzelleneinheiten 90 angeordnet sind und aneinander angrenzen, sowie eine Dichtung 60.
Die Brennstoffzelle umfasst eine Baugruppe 100, die eine Brennstoffzelleneinheit 90, eine Kühlplatte 50 und eine Dichtung 60 umfasst.
Die Brennstoffzelleneinheit 90 umfasst einen ersten Separator 20, einen Harzrahmen 40, der in seiner Öffnung eine MEGA 10 aufnimmt, und einen zweiten Separator 30 in dieser Reihenfolge.
Die Kühlplatte 50 ist in einem Bereich angeordnet, der sich von dem Bereich unterscheidet, in dem die Dichtung 60 zwischen dem zweiten Separator 30 einer der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 90 und dem ersten Separator 20 der anderen Brennstoffzelleneinheit 90 angeordnet ist, und der der MEGA zugewandt ist.
Die Dichtung 60 ist am Umfang des Verteilers 80 in dem Bereich zwischen dem zweiten Separator 30 einer der benachbarten Brennstoffzellen 90 und dem ersten Separator 20 der anderen Brennstoffzelle 90 angeordnet.
Die Dichtung 60 weist eine erste Konvexität 61 auf, und sie weist eine zweite Konvexität 70 in mindestens einem Teil des Umfangs auf der Seite auf, die der MEGA 10 der ersten Konvexität 61 in Ebenenrichtung gegenüberliegt.
Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.
Erste und zweite Separatoren (z.B. Strömungswegnuttiefe: 0,3 mm) werden durch Pressformen eines Kohlenstoffharz-Verbundmaterials hergestellt.
Am Umfang des Verteilers wird auf einer Oberfläche des ersten Separators eine Dichtung (aus EPDM-Gummi oder Silikonkautschuk) geformt. Die Dichtung kann am zweiten Separator angebracht werden, oder eine Dichtung kann in einer Form geformt und auf die Separatoren übertragen werden, ohne dass die Dichtung auf den Separatoren geformt wird.
Ein Harzrahmen wird wie folgt hergestellt: Eine Bahn, die durch Beschichtung von PEN mit klebendem thermoplastischem Harz (z. B. mit einer Dicke von 0,20 µm) erhalten wird, wird in eine Rahmenform geschnitten, und die rahmenförmige Bahn wird als Harzrahmen verwendet.
Eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung wird hergestellt, indem eine erste Gasdiffusionsschicht, eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine zweite Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt werden, und der so erhaltene Stapel wird als Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung verwendet.
Am Endabschnitt der rechteckigen Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung werden der rahmenförmige Harzrahmen und die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung mit einem Klebstoff befestigt, wodurch eine Harzrahmen-MEGA-Baugruppe erhalten wird. Die Harzrahmen-MEGA-Baugruppe ist sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten Separator eingebettet, so dass eine Oberfläche des ersten Separators, die der Oberfläche, auf der die Dichtung ausgebildet ist, gegenüberliegt, mit der Harzrahmen-MEGA-Baugruppe in Kontakt ist. Als nächstes wird eine zweiter-Separator-Harzrahmen-MEGA-erster-Separator-Baugruppe hergestellt, indem der erste Separator und der Harzrahmen zusammengeschweißt und der zweite Separator und der Harzrahmen zusammengeschweißt werden, beides durch Heißpressen. Dementsprechend erhält man eine Brennstoffzelleneinheit, die den zweiten Separator, den Harzrahmen, der die MEGA in seiner Öffnung aufnimmt, und den ersten Separator in dieser Reihenfolge enthält.
Ein Aluminiumblech (Dicke 0,10 mm), das mit Ag (50 nm) beschichtet ist, wird gefaltet, um konkave Rillen (Tiefe 1,5 mm) mit einem Abstand von z. B. 1,5 mm zu bilden, wodurch eine gewellte Kühlplatte hergestellt wird.
Die Kühlplatte wird auf einer Oberfläche des ersten Separators der Brennstoffzelleneinheit angeordnet, die der mit der MEGA in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt. Der Klebstoff wird an den vier Ecken der Kühlplatte auf der Seite des ersten Separators angeordnet, und der erste Separator und die Kühlplatte werden aneinander befestigt. Dementsprechend erhält man eine Baugruppe, bei der die Kühlplatte und die Dichtung auf der Oberfläche des ersten Separators der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sind.
Als nächstes wird eine weitere Brennstoffzelleneinheit hergestellt; der Klebstoff wird an den vier Ecken der Kühlplatte der Baugruppe auf der Seite des zweiten Separators der Brennstoffzelleneinheit angeordnet; und der zweite Separator der Brennstoffzelleneinheit und die Kühlplatte werden aneinander befestigt. Dementsprechend erhält man eine Brennstoffzelle, bei der die Kühlplatte und die Dichtung zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sind. Auf die gleiche Weise kann ein Stapel durch Stapeln der Brennstoffzelleneinheiten erhalten werden, so dass die Kühlplatten und die Dichtungen zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sind. Je nach Bedarf können eine Kollektorplatte und eine Druckplatte in dieser Reihenfolge an den beiden Enden des Stapels angeordnet werden, wodurch eine Brennstoffzelle (ein Brennstoffzellenstapel) entsteht.
Bezugszeichenliste

10: MEGA
20: erster Separator
30: zweiter Separator
40: Harzrahmen
50: Kühlplatte
60: Dichtung
61: erste Konvexität
70: zweite Konvexität
80: Verteiler
90: Brennstoffzelleneinheit
100: Baugruppe
200: Brennstoffzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2020 [0007]
JP 126782 A [0007]
JP 2013 [0007]
JP 500567 A [0007]
JP 2006 [0007]
JP 210351 A [0007]

Claims

Brennstoffzelle, aufweisend Brennstoffzelleneinheiten, die zueinander benachbart sind, eine Kühlplatte, und eine Dichtung, wobei die Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist; wobei die Kühlplatte eine gewellte Platte ist, die konkave Rillen aufweist, die so konfiguriert sind, dass sie als Kühlmittelströmungsweg fungieren; wobei die Dichtung eine erste Konvexität mit einer Höhe aufweist, die größer ist als eine Dicke der Kühlplatte, und die Dichtung Verteiler der benachbarten Brennstoffzelleneinheiten abdichtet; und wobei die Dichtung zumindest an einem Teil eines Seitenabschnitts der ersten Konvexität eine zweite Konvexität aufweist, die eine Konvexität in derselben Richtung wie die erste Konvexität aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Höhe der zweiten Konvexität gleich oder niedriger als die Höhe der ersten Konvexität ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei Kühlwasser oder Luft durch den Kühlmittelströmungsweg fließt.