-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik
-
Es wurden verschiedene Studien über Brennstoffzellen durchgeführt.
-
Zum Beispiel offenbart das japanische Patent
JP 4 901 169 B eine Technologie zur separaten Bereitstellung eines Opferelements, um durch das Opferelement elektrolytische Korrosion zu bewältigen, die in einem Kühlmittelverteiler auftritt.
-
Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2016- 096 033 A einen Brennstoffzellenstapel, der in der Lage ist, das Auftreten von Korrosion an einem Separator zu unterdrücken.
-
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2008- 016 216 A ein Brennstoffzellensystem, das die Korrosion eines Separators und so weiter effektiv unterdrückt, insbesondere auf der Seite des hohen Potentials.
-
Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2010- 113 864 A eine Brennstoffzelle mit einem Mechanismus zur Unterdrückung der Korrosion einer Separatorplatte aufgrund von Kühlmittel, das Wärme aus der Brennstoffzelle zurückgewinnt.
-
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung
JP 2010- 113 863 A eine Brennstoffzelle mit einem Mechanismus zur Unterdrückung der Korrosion von Komponenten des Brennstoffzellenstapels, wie z. B. eines leitenden Separators, durch ein Kühlmittel, das Wärme aus der Brennstoffzelle zurückgewinnt.
-
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
-
In einem Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich eines Kühlmittelverteilers eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere auf dessen Auslassseite, strömt Hochtemperatur-Kühlmittel aus, und dementsprechend nimmt die Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels zu, der Ionenwiderstand des Kühlmittels nimmt ab, und die elektrolytische Korrosion konzentriert sich, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verkürzt wird.
-
Ein separates Opferelement ist vorgesehen, um die elektrolytische Korrosion, die im Kühlmittelverteiler auftritt, durch das Opferelement zu bewältigen, so dass die Anzahl der Teile, aus denen der Brennstoffzellenstapel besteht, zunimmt und die Kosten des Brennstoffzellenstapels steigen.
-
Im Hinblick auf die elektrolytische Korrosion, die im Kühlmittelverteiler auftritt, erhöht auch der Wechsel des Separator-Basismaterials der Zelle, bei der die elektrolytische Korrosion auftritt, von einem kostengünstigen Edelstahlmaterial wie rostfreiem Stahl bzw. Edelstahl zu einem hoch korrosionsbeständigen Material wie Titan die Kosten des Brennstoffzellenstapels.
-
Die vorliegende Erfindung schafft einen Brennstoffzellenstapel, der eine lange Lebensdauer mit einer kostengünstigen Konfiguration haben kann.
-
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel hat einen Zellenstapel, in dem mehrere Einheitszellen zusammen gestapelt sind, wobei jede der Einheitszellen einen Separator aus rostfreiem Stahl enthält.
-
Die Einheitszelle umfasst einen Kathodenseparator, einen Anodenseparator und eine zwischen dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator angeordnete Isolierschicht.
-
In mindestens einer Einheitszelle der Einheitszellen umfasst mindestens ein Separator von dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator in einem Bereich angrenzend an einen Kühlmittelverteiler der Einheitszelle in einer ebenen Richtung einen Opferelektrolytkorrosionsbereich, der nicht an der in einer Stapelrichtung angrenzenden Isolierschicht haftet, sowie einen Dichtungsbereich, der an den Opferelektrolytkorrosionsbereich in der ebenen Richtung angrenzt und an der Isolierschicht haftet.
-
Der Opferelektrolytkorrosionsbereich umfasst einen Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich und einen anderen Bereich als den Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich. Die Form des Separators im Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich ist eine flache Plattenform, die in Kontakt mit der Isolierschicht steht, und die Form des Separators in dem anderen Bereich als dem Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich des Separators ist eine unebene bzw. ungleichmäßige Form, die zumindest teilweise nicht in Kontakt mit der Isolierschicht steht.
-
Wenn in dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem obigen Aspekt eine Breite des Opferelektrolytkorrosionsbereichs in der ebenen Richtung von einem Endabschnitt des Kühlmittelverteilers auf einer Kühlmitteleinlass- oder -auslassseite als Opferelektrolytkorrosionsabstand W definiert ist, beträgt ein Opferelektrolytkorrosionsoberflächenbereich W × D, der ein Produkt aus dem Opferelektrolytkorrosionsabstand W und einer Dicke D des Separators ist, 0,25 mm2 oder mehr,
-
In dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem obigen Aspekt kann mindestens ein Separatortyp einen Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt aufweisen, der in der ebenen Richtung weiter in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelverteilers vorsteht als die an den Separator angrenzende Isolierschicht, wobei der Separatortyp ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus: einem Kathodenseparator einer Einheitszelle mit dem höchsten Potential, die zur Leistungserzeugung beiträgt und das höchste elektrische Potential von den Einheitszellen aufweist, einem Kathodenseparator einer Endabschnitt-Einheitszelle, die an die Einheitszelle mit dem höchsten Potential angrenzt und nicht zur Leistungserzeugung beiträgt, und einem Anodenseparator der Endabschnitt-Einheitszelle.
-
In dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem obigen Aspekt kann der Kathodenseparator der Einheitszelle mit dem höchsten Potential den Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt enthalten.
-
In dem Brennstoffzellenstapel gemäß dem obigen Aspekt kann der Opferelektrolytkorrosionsabstand W 2,1 mm bis 13 mm betragen, und die Dicke D des Separators kann 0,08 mm bis 0,12 mm betragen.
-
Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung kann eine lange Lebensdauer mit einer kostengünstigen Konfiguration haben.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Umgebung eines Kühlmittelauslassverteilers eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel zur Beschreibung eines Opferelektrolytkorrosionsabstands W und einer Separatordicke D eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Umgebung eines Kühlmittelauslassverteilers zeigt;
- 3 ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Opferelektrolytkorrosionsabstand W von Separatoren mit unterschiedlichen Ionenleitfähigkeiten in dem Brennstoffzellenstapel gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zeigt; und
- 4 eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Umgebung eines Kühlmittelauslassverteilers eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass andere als die in der vorliegenden Beschreibung genannten, aber für die Durchführung der vorliegenden Erfindung erforderlichen Aspekte (z. B. allgemeine Konfigurationen und Herstellungsverfahren von Brennstoffzellenstapeln, die nicht zu den Merkmalen der vorliegenden Erfindung gehören) von Fachleuten auf Basis des verwandten Standes der Technik auf diesem Gebiet als Konstruktionsfragen verstanden werden können. Die vorliegende Erfindung kann auf Basis des in dieser Beschreibung offenbarten Inhalts und des allgemeinen technischen Wissens auf diesem Gebiet umgesetzt werden.
-
Auch die Maßverhältnisse (Länge, Breite, Dicke und so weiter) in den Zeichnungen entsprechen nicht den tatsächlichen Maßverhältnissen.
-
In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff „bis“ zur Angabe eines Zahlenbereichs in dem Sinne verwendet, dass er die zuvor und danach beschriebenen Zahlenwerte als unteren Grenzwert und oberen Grenzwert einschließt.
-
Jede Kombination von oberem Grenzwert und unterem Grenzwert in dem numerischen Bereich kann angenommen werden.
-
Die vorliegende Erfindung schafft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Zellenstapel aufweist, in dem mehrere Einheitszellen, die jeweils Separatoren aus rostfreiem Stahl aufweisen, aufeinander gestapelt sind.
-
Die Einheitszellen umfassen jeweils einen Kathodenseparator, einen Anodenseparator und eine Isolierschicht, die zwischen dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator angeordnet ist.
-
In mindestens einer Einheitszelle von den Einheitszellen umfasst mindestens ein Separator von dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator in einem Bereich, der in einer ebenen Richtung an einen Kühlmittelverteiler der Einheitszelle angrenzt, einen Opferelektrolytkorrosionsbereich, der nicht an der in einer Stapel- bzw. Laminierungsrichtung angrenzenden Isolierschicht haftet, und einen Dichtungsbereich, der in der ebenen Richtung an den Opferelektrolytkorrosionsbereich angrenzt und an der Isolierschicht haftet.
-
In dem Opferelektrolytkorrosionsbereich ist eine Form eines Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereichs des Separators eine flache Plattenform, die in Kontakt mit der Isolierschicht steht, und die Form des Bereichs, der nicht der Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich des Separators in dem Opferelektrolytkorrosionsbereich ist, kann eine unebene Form sein, die zumindest teilweise nicht in Kontakt mit der Isolierschicht steht.
-
In der vorliegenden Erfindung ist in einer Zelle, in der elektrolytische Korrosion auftritt, ein vorbestimmter Bereich von einem Endabschnitt des Kühlmittelverteilers als elektrolytischer Opferkorrosionsbereich bzw. Opferelektrolytkorrosionsbereich definiert, wobei ein preiswertes Edelstahlmaterial verwendet wird, und ein Dichtungsbereich ist außerhalb dieses Bereichs festgelegt.
-
In der vorliegenden Erfindung weist ein Kühlmittelverteiler einer Brennstoffzelle, in der Separatoren aus rostfreiem Stahl verwendet werden, einen Opferelektrolytkorrosionsbereich auf, und ein Separator ist in einem Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich des Opferelektrolytkorrosionsbereichs flach plattiert, und nur eine Fläche davon steht mit dem Kühlmittel in Kontakt. Daneben hat der Separator in einem anderen Bereich als dem Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich des Opferelektrolytkorrosionsbereichs eine ungleichmäßige Form, hat einen Bereich, der nicht mit der Isolierschicht in Kontakt kommt, und hat eine Struktur, in der beide Flächen des Separators während der elektrolytischen Korrosion in Kontakt mit dem Kühlmittel sind. Die elektrolytische Korrosionsreaktion in dem Opferelektrolytkorrosionsbereich wird durch die Vergrößerung der Oberfläche weiter gefördert, indem die Oberfläche mit Unebenheiten versehen wird.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung findet die elektrolytische Korrosion auf beiden Seiten des Separators in dem Bereich des Opferelektrolytkorrosionsbereichs statt, der nicht mit der Isolierschicht in Kontakt steht, wodurch die elektrolytische Korrosionsreaktion gefördert wird. Dementsprechend werden die Auswirkungen der elektrolytischen Opferkorrosion in diesem Bereich verstärkt und die Konzentration der elektrolytischen Korrosion im Bereich des Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereichs wird verringert, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängert werden kann. Außerdem kann ein Separator aus rostfreiem Stahl verwendet werden, um eine kostengünstige Konfiguration zu realisieren.
-
Der Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung weist einen Zellenstapel auf, in dem mehrere Einheitszellen mit Separatoren aus rostfreiem Stahl zusammengestapelt sind.
-
In der vorliegenden Erfindung können sowohl die Einheitszelle als auch der Brennstoffzellenstapel, in dem die Einheitszellen zusammen gestapelt sind, als Brennstoffzelle bezeichnet werden.
-
Eine Einheitszelle kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Zelle bezeichnet werden.
-
Ein Zellenstapel ist ein Stapel, der durch Zusammenstapeln der Einheitszellen entsteht.
-
Die Anzahl der im Zellenstapel gestapelten Einheitszellen ist insbesondere nicht begrenzt und kann zwischen zwei und mehreren hundert liegen.
-
Auf den Zellenstapel kann eine Befestigungslast durch ein Befestigungselement aufgebracht werden.
-
Beispiele für Befestigungselemente sind Wellenelemente wie Schrauben bzw. Bolzen mit Gewinden an beiden Enden und Muttern, Federelemente und so weiter.
-
Der Brennstoffzellenstapel kann an beiden Enden in Stapelrichtung des Zellenstapels ein Paar Endplatten aufweisen.
-
Beispiele für die Befestigung des Zellenstapels umfassen ein Verfahren zum Aufbringen einer Befestigungslast durch Schraubbefestigung über die Endplatten, die an beiden Enden des Zellenstapels in Stapelrichtung angeordnet sind, unter Verwendung von Wellenelementen wie Schrauben bzw. Bolzen mit Gewinden an beiden Enden und Muttern und so weiter, und ein Verfahren zum Aufbringen einer Befestigungslast unter Verwendung eines Federelements und so weiter
-
Eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle umfasst einen Kathodenseparator, einen Anodenseparator und eine zwischen dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator angeordnete Isolierschicht, die typischerweise eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung (MEGA) enthält.
-
Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung hat eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
-
Eine Kathode (Oxidationselektrode) umfasst die Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
-
Eine Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
-
Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden gemeinsam als „Katalysatorschichten“ bezeichnet.
-
Die Katalysatorschicht kann z. B. ein Katalysatormetall enthalten, das die elektrochemische Reaktion fördert, einen Elektrolyten mit Protonenleitfähigkeit, einen Träger mit Elektronenleitfähigkeit und so weiter.
-
Beispiele für das Katalysatormetall sind Platin (Pt), Legierungen aus Pt und einem anderen Metall (z. B. eine Pt-Legierung, die Kobalt, Nickel oder ähnliches enthält) und so weiter.
-
Der Elektrolyt kann ein Fluorharz oder ähnliches sein. Beispiele für ein Fluorharz, das verwendet werden kann, sind eine Nafion-Lösung und so weiter.
-
Das Katalysatormetall ist auf einem Träger aufgebracht, und in jeder Katalysatorschicht kann der Träger, der das Katalysatormetall trägt (Katalysatorträger), mit dem Elektrolyten vermischt sein.
-
Beispiele für den Träger, der das Katalysatormetall trägt, sind Kohlenstoffmaterialien wie handelsüblicher Kohlenstoff und so weiter.
-
Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden zusammen als „Gasdiffusionsschichten“ bezeichnet.
-
Bei den Diffusionsschichten kann es sich um ein elektrisch leitendes Element oder Ähnliches mit Gasdurchlässigkeit handeln.
-
Beispiele für das elektrisch leitende Element sind ein poröser Kohlenstoffkörper, wie Kohlenstoffgewebe, Kohlenstoffpapier oder ähnliches, und ein poröses Metall, wie ein Metallnetz, ein geschäumtes Metall oder ähnliches.
-
Die Elektrolytmembran kann eine feste Polymerelektrolytmembran sein. Beispiele für die feste Polymerelektrolytmembran sind eine Elektrolytmembran auf Fluorbasis, wie ein dünner Film aus feuchtigkeitshaltiger Perfluorsulfonsäure, eine Elektrolytmembran auf Kohlenwasserstoffbasis und so weiter. Beispiele für die Elektrolytmembran können eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) und so weiter sein.
-
Zwischen dem Kathodenseparator und dem Anodenseparator ist eine Isolierschicht angeordnet. Die Isolierschicht kann am Umfang der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung angeordnet sein.
-
Die Isolierschicht kann einen Rahmenabschnitt, einen Öffnungsabschnitt und Löcher aufweisen.
-
Der Rahmenabschnitt ist ein Hauptabschnitt der Isolierschicht, der mit der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung verbunden ist.
-
Der Öffnungsabschnitt ist ein Haltebereich für die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung und ist ein Bereich, der sich durch einen Teil des Rahmenabschnitts erstreckt, um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung aufzunehmen. Es reicht aus, wenn der Öffnungsabschnitt in der Isolierschicht an einer Stelle angeordnet ist, an der der Rahmenabschnitt um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung herum (im Umfangsbereich) angeordnet ist, und er kann in der Mitte der Isolierschicht vorgesehen sein.
-
Durch die Löcher in der Isolierschicht können Flüssigkeiten wie Reaktionsgas und Kühlmittel in die Stapelrichtung der Einheitszelle fließen. Die Löcher in der Isolierschicht können so angeordnet sein, dass sie mit den Löchern im Separator in Verbindung stehen.
-
Die Isolierschicht kann eine rahmenförmige Kernschicht und zwei rahmenförmige Mantelschichten auf beiden Seiten der Kernschicht, d. h. eine erste Mantelschicht und eine zweite Mantelschicht, umfassen.
-
Die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht können, in gleicher Weise wie die Kernschicht, auf beiden Seiten der Kernschicht in rahmenartiger Form vorgesehen sein.
-
Es reicht aus, wenn die Kernschicht ein Strukturelement mit gasdichtenden Eigenschaften und isolierenden Eigenschaften ist, und die Kernschicht kann aus einem Material bestehen, das eine Struktur aufweist, die sich unter den Temperaturbedingungen während des Thermokompressionsbindens in einem Herstellungsprozess der Brennstoffzelle nicht verändert. Zu den Materialien für die Kernschicht gehören beispielsweise 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), Epoxidharz und so weiter. Das Material der Kernschicht kann ein Gummimaterial wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Fluorkautschuk, Silikonkautschuk oder ähnliches sein.
-
Die Dicke der Kernschicht kann unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Isolierung 5 µm oder mehr oder 20 µm oder mehr betragen und kann unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Zelldicke 200 µm oder weniger oder 150 µm oder weniger betragen.
-
Die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht können eine hohe Adhäsionseigenschaft zu anderen Materialien haben, eine Eigenschaft des Erweichens unter den Temperaturbedingungen während des Thermokompressionsbindens haben und eine Eigenschaft einer niedrigeren Viskosität und eines niedrigeren Schmelzpunktes als die Kernschicht haben, um die Kernschicht mit dem Anodenseparator und dem Kathodenseparator zu verkleben und die Dichtungsleistung sicherzustellen. Insbesondere können die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht ein thermoplastisches Harz sein, wie z. B. ein thermoplastisches Harz auf Polyesterbasis, ein modifiziertes thermoplastisches Harz auf Olefinbasis oder ähnliches, oder ein duroplastisches Harz, das ein modifiziertes Epoxidharz ist.
-
Bei dem Harz, aus dem die erste Mantelschicht besteht, und dem Harz, aus dem die zweite Mantelschicht besteht, kann es sich um dieselbe Art von Harz oder um unterschiedliche Arten von Harz handeln. Das Anbringen der Mantelschichten auf beiden Seiten der Kernschicht erleichtert das Verkleben der Isolierschicht und der beiden Separatoren durch Heißpressen.
-
Die Mantelschichtdicke der ersten Mantelschicht und der zweiten Mantelschicht kann unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Klebefähigkeit 5 µm oder mehr oder 30 µm oder mehr betragen und kann unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Zelldicke 100 µm oder weniger oder 40 µm oder weniger betragen.
-
In der Isolierschicht können die erste Mantelschicht und die zweite Mantelschicht nur auf den Abschnitten vorgesehen sein, die mit dem Anodenseparator bzw. dem Kathodenseparator (Dichtungsbereich des Separators) verklebt werden. Die erste Mantelschicht, die sich auf einer Seite der Kernschicht befindet, kann auf den Kathodenseparator geklebt werden. Die zweite Mantelschicht, die auf der anderen Seite der Kernschicht vorgesehen ist, kann an den Anodenseparator geklebt werden. Die Isolierschicht kann zwischen einem Paar von Separatoren gehalten werden.
-
Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler haben, mit dem jedes Loch in Verbindung steht, wie z. B. einen Zufuhrverteiler, mit dem jedes Zufuhrloch in Verbindung steht, und einen Auslassverteiler, mit dem jedes Auslassloch in Verbindung steht, und so weiter.
-
Beispiele für den Zufuhrverteiler sind ein Brenngaszufuhrverteiler, ein Oxidationsgaszufuhrverteiler, ein Kühlmittelzufuhrverteiler und so weiter.
-
Beispiele für den Auslassverteiler umfassen einen Brenngasauslassverteiler, einen Oxidationsgasauslassverteiler, einen Kühlmittelauslassverteiler und so weiter.
-
In der vorliegenden Erfindung werden der Kühlmittelzufuhrverteiler und der Kühlmittelauslassverteiler gemeinsam als „Kühlmittelverteiler“ bezeichnet.
-
Der Brennstoffzellenstapel kann mit Dichtungen zwischen benachbarten Einheitszellen versehen sein. Die Dichtungen dienen als Dichtungselemente zur Unterdrückung des Austretens von Reaktionsgas aus jedem Reaktionsgassystem.
-
Die Dichtungen können aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi, Silikonkautschuk, thermoplastischem Elastomerharz oder ähnlichem hergestellt werden.
-
Eine Einheitszelle umfasst ein Paar von Separatoren.
-
Die Separatoren halten die Isolierschicht und normalerweise auch die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung.
-
Einer der Separatoren ist ein Anodenseparator und der andere ein Kathodenseparator. In der vorliegenden Erfindung werden der Anodenseparator und der Kathodenseparator gemeinsam als „Separatoren“ bezeichnet.
-
Die Separatoren können Öffnungen, wie z. B. eine Zufuhr- und eine Auslassöffnung, aufweisen, durch die Fluide, wie z. B. Reaktionsgas und Kühlmittel, in Stapelrichtung der Einheitszellen fließen können. Als Kühlmittel kann beispielsweise eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um das Gefrieren bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
-
Beispiele für die Zufuhröffnung sind eine Brennstoffgaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung, eine Kühlmittelzufuhröffnung und so weiter.
-
Beispiele für die Auslassöffnung sind eine Brenngasauslassöffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung, eine Kühlmittelauslassöffnung und so weiter
-
Der Einfachheit halber können diese Öffnungen in der vorliegenden Erfindung als „Verteiler“ bezeichnet werden.
-
Die Separatoren können auf einer Fläche, die mit den Gasdiffusionsschichten in Kontakt steht, einen Reaktionsgaskanal aufweisen. Die Separatoren können auch einen Kühlmittelkanal zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der Brennstoffzelle auf einer Seite aufweisen, die der mit den Gasdiffusionsschichten in Kontakt stehenden Seite gegenüberliegt.
-
Der Anodenseparator kann auf der Seite, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Brenngaskanal aufweisen. Außerdem kann der Anodenseparator auf der Seite, die der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Seite gegenüberliegt, einen Kühlmittelkanal aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
-
Der Kathodenseparator kann auf der Seite, die mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Oxidationsgaskanal aufweisen. Außerdem kann der Kathodenseparator auf der Seite, die der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Seite gegenüberliegt, einen Kühlmittelkanal aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
-
Der Separator kann eine Platte aus rostfreiem Stahl sein, z. B. aus Edelstahl.
-
Die Form des Separators kann ein Rechteck, ein seitlich gestrecktes Sechseck, ein seitlich gestrecktes Achteck, ein Kreis, eine längliche Form oder dergleichen sein.
-
In der vorliegenden Erfindung werden das Brenngas und das Oxidationsgas gemeinsam als „Reaktionsgase“ bezeichnet. Das der Anode zugeführte Reaktionsgas ist Brenngas, und das der Kathode zugeführte Reaktionsgas ist Oxidationsgas. Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, und kann Wasserstoff sein. Das Oxidationsgas ist ein sauerstoffhaltiges Gas und kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder Ähnliches sein.
-
Der Separator hat einen Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich zwischen der Kühlmittelzufuhröffnung oder der Kühlmittelauslassöffnung, die den Kühlmittelverteiler bilden, und dem Kühlmittelkanal.
-
Insbesondere hat der Separator einen Kühlmitteleinlassbereich zwischen der Kühlmittelzufuhröffnung, die einen Kühlmittelzufuhrverteiler bildet, und dem Kühlmittelkanal, und einen Kühlmittelauslassbereich zwischen einer Kühlmittelauslassöffnung, die einen Kühlmittelauslassverteiler bildet, und dem Kühlmittelkanal.
-
Der Begriff „Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich“ bedeutet einen Kühlmitteleinlassbereich oder einen Kühlmittelauslassbereich.
-
Der Bereich des Separators, der an den Kühlmittelverteiler (Kühlmittelzufuhröffnung oder Kühlmittelauslassöffnung, das den Kühlmittelverteiler bildet) der Einheitszelle in der ebenen Richtung angrenzt, hat einen Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich und einen anderen Bereich als den Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich.
-
Insbesondere hat der Bereich des Separators, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelzufuhrverteiler der Einheitszelle angrenzt, einen Kühlmitteleinlassbereich und einen anderen Bereich als den Kühlmitteleinlassbereich, und der Bereich des Separators, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelauslassverteiler der Einheitszelle angrenzt, hat einen Kühlmittelauslassbereich und einen anderen Bereich als den Kühlmittelauslassbereich.
-
Der andere Bereich als der Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich kann ein Bereich des Separators sein, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelverteiler der Einheitszelle angrenzt, und kann ein Bereich sein, der nicht mit dem Kühlmittelkanal in Verbindung steht.
-
(1) Erste Ausführungsform
-
In mindestens einer Einheitszelle von einer Vielzahl von Einheitszellen eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist mindestens ein Separator von einem Kathodenseparator und einem Anodenseparator in einem Bereich, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelverteiler der Einheitszelle angrenzt einen Opferelektrolytkorrosionsbereich auf, der nicht an einer in der Stapelrichtung benachbarten Isolierschicht haftet, und einen Dichtungsbereich, der in der ebenen Richtung an den Opferelektrolytkorrosionsbereich angrenzt und an der Isolierschicht haftet.
-
Das heißt, dass der elektrolytische Opferkorrosionsbereich bzw. Opferelektrolytkorrosionsbereich ein Bereich des Separators ist, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelverteiler angrenzt und nicht an der Isolierschicht haftet.
-
Außerdem ist der Dichtungsbereich ein Bereich des Separators, der in der ebenen Richtung an den Opferelektrolytkorrosionsbereich angrenzt und an der Isolierschicht haftet.
-
Es ist ausreichend, wenn der Opferelektrolytkorrosionsbereich auf mindestens einem Separator von dem Kathodenseparator und dem Anodenseparators vorgesehen ist, und der Opferelektrolytkorrosionsbereich kann auf beiden Separatoren vorgesehen sein.
-
Es ist ausreichend, wenn der Opferelektrolytkorrosionsbereich in mindestens einer Einheitszelle der Einheitszellen vorgesehen ist, und der elektrolytische Opferkorrosionsbereich bzw. Opferelektrolytkorrosionsbereich kann in allen Einheitszellen vorgesehen sein.
-
In dem Opferelektrolytkorrosionsbereich ist die Form des Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereichs des Separators eine flache Plattenform, die mit der Isolierschicht in Kontakt steht.
-
Es reicht aus, wenn die Form eines anderen Bereichs als der Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich des Separators im Opferelektrolytkorrosionsbereich eine ungleichmäßige Form aufweist, die zumindest teilweise nicht mit der Isolierschicht in Kontakt steht, und der andere Bereich als der Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereich muss überhaupt nicht mit der Isolierschicht in Kontakt stehen, vorausgesetzt, dass die Form eine ungleichmäßige Form ist.
-
Im Opferelektrolytkorrosionsbereich ist die Form des Kühlmitteleinlassbereichs des Separators eine flache Plattenform, die mit der Isolierschicht in Kontakt steht, und die Form des anderen Bereichs als dem Kühlmitteleinlassbereich im Opferelektrolytkorrosionsbereich kann eine ungleichmäßige Form sein, die zumindest teilweise nicht mit der Isolierschicht in Kontakt steht.
-
Im Opferelektrolytkorrosionsbereich ist die Form des Kühlmittelauslassbereichs des Separators eine flache Plattenform, die mit der Isolierschicht in Kontakt steht, und die Form des anderen Bereichs als dem Kühlmittelauslassbereich im Opferelektrolytkorrosionsbereich kann eine ungleichmäßige Form sein, die zumindest teilweise nicht mit der Isolierschicht in Kontakt steht.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Umgebung eines Kühlmittelauslassverteilers eines Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Wie in 1 dargestellt, weisen der Kathodenseparator und der Anodenseparator in jeder Einheitszelle eines Brennstoffzellenstapels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Bereich, der in der ebenen Richtung an den Kühlmittelauslassverteiler der Einheitszelle angrenzt, einen Opferelektrolytkorrosionsbereich auf, der nicht an der in der Stapelrichtung angrenzenden Isolierschicht haftet, sowie einen Dichtungsbereich, der in der ebenen Richtung an den Opferelektrolytkorrosionsbereich angrenzt und an der Isolierschicht haftet.
-
Im Opferelektrolytkorrosionsbereich ist die Form des Kühlmittelauslassbereichs des Separators eine flache Plattenform, die mit der Isolierschicht in Kontakt steht, und die Form des anderen Bereichs als dem Kühlmittelauslassbereich im Opferelektrolytkorrosionsbereich ist eine unebene Form, die teilweise nicht mit der Isolierschicht in Kontakt steht.
-
Es sei angemerkt, dass in 1 ein Beispiel eines Kühlmittelauslassverteilers als Kühlmittelverteiler dargestellt ist, aber die gleiche Konfiguration wie der Kühlmittelauslassverteiler kann auch verwendet werden, wenn der Kühlmittelverteiler ein Kühlmittelzufuhrverteiler ist.
-
(2) Zweite Ausführungsform
-
In einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, wenn eine Breite in der ebenen Richtung von einem Endabschnitt des Kühlmittelverteilers auf der Kühlmitteleinlass- oder -auslassseite des Opferelektrolytkorrosionsbereichs als Opferelektrolytkorrosionsabstand W (mm) definiert ist, ein Opferelektrolytkorrosionsoberflächenbereich W × D, der das Produkt aus dem Opferelektrolytkorrosionsabstand W (mm) und der Dicke D (mm) des Separators ist, 0,25 mm2 oder mehr betragen, und unter dem Gesichtspunkt des Gleichgewichts zwischen dem Aufbau (Energiedichte) des Brennstoffzellenstapels und dessen Lebensdauer kann die Obergrenze bei 1,00 mm2 oder weniger liegen.
-
Der Opferelektrolytkorrosionsabstand W (mm) kann 2,1 mm bis 13 mm betragen, die untere Grenze kann 2,5 mm oder mehr oder 3 mm oder mehr betragen, und die obere Grenze kann 6 mm oder weniger oder 4 mm oder weniger betragen.
-
Die Dicke D (mm) des Separators kann 0,08 mm bis 0,12 mm betragen, wobei der untere Grenzwert bei 0,1 mm oder mehr liegen kann.
-
Die Ionenleitfähigkeit des Separators ist nicht im Einzelnen begrenzt und kann 1 µS/cm2 bis 8 µS/cm2 und 2 µS/cm2 bis 6 µS/cm2 betragen.
-
Der Endabschnitt des Opferelektrolytkorrosionsbereichs auf der Kühlmitteleinlass- oder -auslassseite des Kühlmittelverteilers kann der Endabschnitt des Kühlmitteleinlass- oder -auslassbereichs des Separators auf der Kühlmittelverteilerseite sein.
-
Der Endabschnitt des Opferelektrolytkorrosionsbereichs auf der Kühlmitteleinlassseite des Kühlmittelverteilers kann der Endabschnitt des Kühlmitteleinlassbereichs des Separators auf der Kühlmittelverteilerseite sein.
-
Der Endabschnitt des Opferelektrolytkorrosionsbereichs auf der Kühlmittelauslassseite des Kühlmittelauslassverteilers kann der Endabschnitt des Kühlmittelauslassbereichs des Separators auf der Kühlmittelauslassverteilerseite sein.
-
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel zur Beschreibung eines Opferelektrolytkorrosionsabstands W und einer Separatordicke D des Brennstoffzellenstapels gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Umgebung des Kühlmittelauslassverteilers zeigt.
-
Es sei angemerkt, dass in 2 ein Beispiel eines Kühlmittelauslassverteilers als Kühlmittelverteiler dargestellt ist, aber die gleiche Konfiguration wie der Kühlmittelauslassverteiler kann auch verwendet werden, wenn der Kühlmittelverteiler ein Kühlmittelzufuhrverteiler ist.
-
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Opferelektrolytkorrosionsabstand W von Separatoren mit unterschiedlichen Ionenleitfähigkeiten im Brennstoffzellenstapel gemäß der zweiten Ausführungsform und der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zeigt.
-
Die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels kann unter Berücksichtigung empirischer Regeln ermittelt werden, die auf Beziehungen zwischen beispielsweise einem Opferelektrolytkorrosionsvolumen V (mm3) des Separators, einer elektrolytischen Korrosionsrate S (mol/s) des Separators und der Ionenleitfähigkeit (µS/cm2) des Separators beruhen.
-
In der vorliegenden Erfindung ist das Opferelektrolytkorrosionsvolumen V (mm3) des Separators D × W × L, was das Produkt aus der Dicke D (mm) des Separators, dem Opferelektrolytkorrosionsabstand W (mm), der die Breite in der ebenen Richtung des Kühlmittelverteilers ab dem Endabschnitt des Kühlmitteleinlasses oder -auslasses, und einer Umfangslänge L (mm) des Kühlmittelverteilers ist.
-
In der vorliegenden Erfindung ist die elektrolytische Korrosionsrate S (mol/s) des Separators L × d × v, was das Produkt aus der Umfangslänge L (mm) des Kühlmittelverteilers, der Länge d (mm) des Reaktionsbereichs für elektrolytische Korrosion des Separators und der Reaktionsrate v pro Flächeneinheit (mol/s·mm2) ist.
-
Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrolytische Korrosion des Separators im Kühlmittelverteiler auf Opferelektrolytkorrosionsbereiche beschränkt. Dementsprechend wird selbst nach der Auflösung des Separators im Opferelektrolytkorrosionsbereich die Dichtungsstruktur der Einheitszelle nicht beeinträchtigt, die Dichtungsfunktion der Einheitszelle kann beibehalten werden, und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels kann verlängert werden.
-
Außerdem ermöglicht die Einstellung der Opferelektrolytkorrosionsfläche auf einen vorbestimmten Wert oder weniger eine Verbesserung des Gleichgewichts zwischen der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels und der Energiedichte.
-
(3) Dritte Ausführungsform
-
In einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens ein Separatortyp, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem Kathodenseparator einer Einheitszelle mit dem höchsten Potenzial, die zur Strom- bzw. Leistungserzeugung beiträgt und das höchste elektrische Potential von den Einheitszellen aufweist, einem Kathodenseparator einer Endabschnitt-Einheitszelle, die an die Einheitszelle mit dem höchsten Potential angrenzt und nicht zur Leistungserzeugung beiträgt, und einem Anodenseparator der Endabschnitt-Einheitszelle, einen Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt aufweisen, der in einer ebenen Richtung weiter in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelverteilers vorsteht als eine an den Separator angrenzende Isolierschicht.
-
In dem Brennstoffzellenstapel gemäß der dritten Ausführungsform kann zumindest ein Kathodenseparator einer Einheitenzelle mit dem höchsten Potential einen Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt aufweisen, und ferner können ein Kathodenseparator einer Endabschnitt-Einheitszelle, die an die Einheitenzelle mit dem höchsten Potential angrenzt und nicht zur Leistungserzeugung beiträgt, und ein Anodenseparator der Endabschnitt-Einheitszelle einen Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt aufweisen.
-
Der Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt kann in einer ebenen Richtung weiter in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelzufuhrverteilers vorstehen als die Isolierschicht, kann in der ebenen Richtung in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelauslassverteilers vorstehen und kann in einer ebenen Richtung in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelzufuhrverteilers und des Kühlmittelauslassverteilers vorstehen.
-
Es reicht aus, wenn der Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt in der ebenen Richtung weiter in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelverteilers vorsteht als die Isolierschicht und so vorstehen kann, dass er den Kühlmittelverteiler nicht blockiert.
-
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Umgebung eines Kühlmittelauslassverteilers eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Wie in 4 dargestellt, weist in dem Brennstoffzellenstapel der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Kathodenseparator einer Einheitszelle mit dem höchsten Potential, die zur Leistungserzeugung beiträgt und von den Einheitszellen das höchste elektrische Potential aufweist, einen Opferelektrolytkorrosionsbereich-Vorsprungabschnitt auf, der in einer ebenen Richtung weiter in Richtung eines Teilbereichs des Kühlmittelauslassverteilers vorsteht als eine an den Kathodenseparator angrenzende Isolierschicht.
-
Es sei angemerkt, dass in 4 ein Beispiel eines Kühlmittelauslassverteilers als Kühlmittelverteiler dargestellt ist, aber die gleiche Konfiguration wie der Kühlmittelauslassverteiler kann auch verwendet werden, wenn der Kühlmittelverteiler ein Kühlmittelzufuhrverteiler ist.
-
In der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, von den Separatoren der gestapelten Leistungserzeugungszellen, der Separator weiter zur Kühlmittelverteilerseite vorstehen als die benachbarte Isolierschicht, nur am Kathodenseparator, der das höchste Potential hat und am nächsten an der negativen Seite ist, oder am Separator der benachbarten Endabschnittzelle.
-
Auf diese Weise ist der Separator der elektrolytischen Korrosion durch den vorstehenden Randbereich des Separators ausgesetzt, wodurch andere Elemente geschützt werden.
-
Außerdem ragen ein bis drei Separatoren weiter aus der Isolierschicht heraus, so dass ein Kontakt mit anderen Separatoren, die unterschiedliche Potentiale aufweisen und zu einem dielektrischen Durchschlag führen, nicht zu befürchten ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 4901169 B [0003]
- JP 2016096033 A [0004]
- JP 2008016216 A [0005]
- JP 2010113864 A [0006]
- JP 2010113863 A [0007]
